In order to carry out its life cycle and produce viable progeny through cell division, a cell must successfully coordinate and execute a number of complex processes with high fidelity, in an environment dominated by thermal noise. One important example of such a process is the assembly and positioning of the mitotic spindle prior to chromosome segregation. The mitotic spindle is a modular structure composed of two spindle pole bodies, separated in space and spanned by filamentous proteins called microtubules, along which the genetic material of the cell is held. The spindle is responsible for alignment and subsequent segregation of chromosomes into two equal parts; proper spindle positioning and timing ensure that genetic material is appropriately divided amongst mother and daughter cells. / In this thesis, I describe fluorescence confocal microscopy and automated image analysis algorithms, which I have used to observe and analyze the real space dynamics of the mitotic spindle in budding yeast. The software can locate structures in three spatial dimensions and track their movement in time. By selecting fluorescent proteins which specifically label the spindle poles and cell periphery, mitotic spindle dynamics have been measured in a coordinate system relevant to the cell division. I describe how I have characterised the accuracy and precision of the algorithms by simulating fluorescence data for both spindle poles and the budding yeast cell surface. / In this thesis I also describe the construction of a microfluidic apparatus that allows for the measurement of long time-scale dynamics of individual cells and the development of a cell population. The tools developed in this thesis work will facilitate in-depth quantitative analysis of the non-equilibrium processes in living cells. / La régulation du cycle cellulaire et la prolifération de générations viables requièrent à la fois la reproductibilité et la coordination des différents processus complexes en jeu dans un environnement toutefois dominé par l'agitation thermique. Un exemple essentiel est l'assemblage et la migration du fuseau mitotique qui doivent avoir lieu correctement avant même la ségrégation des chromosomes. Le fuseau mitotique est une structure transitoire composée de deux pôles séparés par des filaments de protéines appelés les microtubules, auxquelles est rattaché le matériel génétique de la cellule. Le fuseau mitotique est notamment impliqué dans l'alignement des chromosomes, puis leur ségrégation vers des pôles opposés de la cellule ; d'où la nécessité d'un positionnement spatial précis et temporellement coordonné du fuseau mitotique pour assurer la division correcte du matériel génétique entre les cellules mère et fille. / Dans ce mémoire, je décrirai les techniques de microscopie confocale par fluorescence ainsi que les algorithmes automatisés d'analyse d'image, que j'ai mis en oeuvre pour observer et analyser la dynamique spatiale en temps réel du fuseau mitotique chez la levure bourgeonnante. Les programmes développés permettent de localiser dans l'espace tridimensionnel des structures subcellulaires et de détecter leurs déplacements au cours du temps. Le marquage par protéines fluorescentes des pôles du fuseau mitotique et de la membrane cellulaire a permis de quantifier la dynamique du fuseau mitotique dans un système de coordonnées pertinent pour la division cellulaire. Je décrirai des simulations numériques de signaux fluorescents de ces structures subcellulaires qui m'ont permis de caractériser la fiabilité et de quantifier la précision des programmes d'analyse. / Je terminerai ce mémoire par la description d'un dispositif microfluidique permettant à la fois la culture de cellules et la caractérisation de leur dynamique à l'échelle individuelle, et ce sur de longues échelles de temps. Les outils développés au cours de cette thèse et présentés dans ce mémoire offrent la possibilité d'analyses quantitatives nouvelles des processus hors équilibre en jeu chez les cellules vivantes en général.

Many geophysical and atmospheric fields exhibit multifractal characteristics over wide ranges of scale. These findings motivate a study of transport phenomena in multifractal media, particularly diffusion. In studying the diffusion properties of one-dimensional universal multifractal resistivity fields, a relation for the diffusion exponent $d sb{w}$ is derived and is found to depend only on $K(-1)$, the value of the moment scaling function $K(q)$ of the resistivity field for the $q=-1 sp{th}$ order statistical moment. This relation is subsequently verified through Monte Carlo simulations of diffusion on these systems. The one-to-one correspondence that exists between statistical moments and orders of singularity suggests that one order of singularity, namely $ gamma sb{-1}$, is of special importance to diffusion on multifractals, as is confirmed by simulations performed using fields that have been thresholded. Although convergence is quite slow, in the limit of an infinitely large range of scales a dynamical phase transition occurs about this particular singularity. The relation derived for the diffusion exponent breaks down for those multifractals where the $q=-1 sp{th}$ order moment diverges, which is typical of a multifractal phase transition. In these cases $d sb{w}$ must be estimated by taking into account the sample size.

This thesis outlines the development of a new method for friction force measurements using atomic force microscopy. It is compared to the standard friction force microscopy technique for verification. This new method is used to investigate the friction properties in the boundary lubrication regime of a novel polymer brush sample with a very high grafting density. It is found that there is no correlation between friction coefficient and the surrounding fluid's pH or salt concentration, and that the coefficient of friction is on the order of 0.1. / La présente thèse aborde le développement d'une nouvelle méthode pour les mesures de friction à l'aide d'un microscope à force atomique. Elle est comparée à la méthode standard pour vérification. Cette nouvelle méthode est utilisée afin d'investiguer les propriétés dans le régime de la limite de lubrification d'un nouvel échantillon de brosse de polymères à très haute densité. Aucune corrélation n'a été trouvé entre le coefficient de friction et le pH ou la concentration de sel du fluide environnant. Le coefficient de friction mesuré est de l'ordre de 0.1.

A Compton-scattering detector for imaging gamma rays for security purposes has been designed, built and tested. The imager is affordable, durable, portable, and has a wide field of view. The goal of this project was to develop an imager capable of quickly locating gamma-ray sources in the several hundred keV - several MeV range, that is sufficiently portable to be transported around urban environments. The design uses long bars of NaI(Tl) as the detection medium for both its scatter and absorber planes. Each bar is read out by a pair of photomultiplier tubes (PMTs) placed on opposite sides. Pulse-height sharing between the PMTs is used to reconstruct the longitudinal position of the interaction in the bars. The detector design was optimized using GEANT4 simulations. Decreasing the attenuation length of the bars was shown to significantly improve the position resolution and only slightly worsen the energy resolution of an interaction in the scintillator bar; thus a procedure to produce scintillator bars with a specified attenuation was developed. For the best scatter bar, of size 20 x 20 x 200 mm, an energy resolution of 8.0% +/- 0.2% (FWHM) and a position resolution of 5.7 +/- 0.1 mm was measured at 662 keV. For the best absorber bar, of size 40 x 40 x 400 mm, an energy resolution of 7.9% +/- 0.1% (FWHM) and a position resolution of 8.5 +/- 0.1 mm was measured.The performance of a reduced-scale imager using four of the proposed seven absorber bars has been tested. Sources with gamma-ray energies ranging from 392 keV to 1274 keV, located 9 m away, were successfully imaged using a chi-squared minimization procedure. No degradation in imaging performance was observed for source angles up to 40 degrees off axis. The data from the Cs-137 (662 keV) source was converted to obtain an equivalent exposure of a 10 mCi source located 40 m away; the source could be located in 60 seconds with an uncertainty of less than a degree.Other important results include measuring the Angular Resolution Measure (ARM) and efficiency at 662 keV; an ARM width of 2.96 +/- 0.03 degrees, and an efficiency of (1.95 +/- 0.02) x 10^(-3) was obtained. / Un détecteur à diffusion Compton pour l'imagerie de rayons gamma pour des raisons de sécurité a été conçu, construit et testé. Ce détecteur, en plus d'être abordable, durable et portable, possède un large champ de vision. Le but de ce projet était de développer un imageur capable de localiser rapidement les sources de rayons gamma dans la gamme d'énergie allant de centaines de keV à plusieurs MeV, et qui est suffisamment portable pour être transporté dans des environnements urbains. Le concept repose sur la détection des gamma grâce à l'utilisation de longues barres scintillatrices de NaI(Tl), choisies principalement pour leurs propriétés optiques telles que l'absorption et la diffusion. Chaque barre est accompagnée d'une paire de tubes photomultiplicateurs (PMs) placés de chaque côté. L'amplitude des signaux enregistrés par les deux PMs est utilisée pour reconstruire la position longitudinale des interactions dans les barres.Le concept du détecteur a été optimisé à l'aide de simulations GEANT4. En réduisant la longueur d'atténuation des barres, la résolution spatiale a été améliorée de façon significative, tout en n'affectant que très peu la résolution en énergie; ce qui a nécessité le développement d'une nouvelle technique de production de barres scintillatrices avec une longueur d'atténuation spécifique. Pour la barre ayant une diffusion optimale, d'une longueur de 20 x 20 x 200 mm, une résolution en énergie de 8.0% +/- 0.2% (FWHM) et une résolution spatiale de 5.7 +/- 0.1 mm ont été mesurées à 662 keV. Pour la barre ayant une absorbtion optimale, d'une longueur de 40 x 40 x 400 mm, une résolution en énergie de 7.9% +/- 0.1% (FWHM) et une résolution spatiale de 8.5 +/- 0.1 mm ont été mesurées. La performance d'un modèle réduit du détecteur, n'utilisant que quatre des sept barres scintillatrices originalement proposées, a été testée. Des sources radioactives produisant des rayons gamma d'énergies entre 392 keV et 1274 keV, placées à une distance de 9 m, ont pu être imagées avec succès à l'aide d'une technique de minimisation du khi carré. Aucune détérioration de la performance de l'image n'a été observée pour des sources situées à des angles inférieurs à 40 degré de l'axe de visée du détecteur. Les données d'une source Cs-137 (622 keV) ont été converties en une exposition équivalente à une source de 10 mCi située à une distance de 40 m; cette source pouvant être localisée en 60 secondes avec une précision supérieure à 1 degré. D'autres résultats importants furent de mesurer la Mesure de la Résolution Angulaire (MRA), ainsi que l'efficacité à 662 keV: une valeur de 2.96 +/- 0.03 degré pour l'MRA et de (1.95 +/- 0.02) x10^(-3) pour l'efficacité ont été obtenues.

This thesis presents the design and development of an electrochemical atomic force microscope (AFM) equipped with photothermal excitation for actuation of the cantilever for the study of the solid-liquid interface. A rigorous analysis of noise in the optical beam deflection method is presented and leads to innovative techniques for the reduction of the detection noise to levels well below the thermal noise of the cantilever. An AFM stochastic simulation demonstrates that thermal noise fundamentally limits the measurement of hydration structures at the mica-water interface, whereas tip-sample vibrations may dominate the measurement of the last two hydration layers above the surface. Commonly overlooked problems associated with the traditionally used piezoacoustic excitation are described and quantified with respect to the frequency-modulation (FM) and amplitude-modulation (AM) methods of dynamic AFM operation. After a description of the statistical mechanics of the electric double layer (EDL) of aqueous solutions, a three-dimensional atomic-resolution FM-AFM force spectroscopy experiment of the water-mica interface is presented alongside a detailed analysis of the damping and force profiles used for the determination of the absolute tip-sample distance by comparison to simulations. Lastly, the statistical mechanics of modern ionic liquid EDL electrochemistry are vulgarized, followed by a thorough investigation of cyclic voltammetry of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate at the Au(111) interface with comparison to published electrochemical impedance spectroscopy results. The electrochemical observations are complemented by force spectroscopy measurements performed using AM-AFM at different electrode electrochemical potentials across a 2 V window - no relationship between potential and EDL structure was observed. / Cette thèse présente la conception et le développement d'un microscope électrochimique à force atomique (AFM) équipé d'excitation photothermique pour l'actionnement du levier pour l'étude de l'interface solide-liquide. Une analyse rigoureuse de bruit dans la méthode de déviation du faisceau optique est présentée et conduit à des nouvelles techniques pour la réduction du bruit de détection à des niveaux en dessous du bruit thermique du levier. Une simulation stochastique d'AFM démontre que le bruit thermique limite fondamentalement la mesure des structures d'hydratation à l'interface mica/eau, tandis que les vibrations méchaniques peuvent dominer la mesure des deux dernières couches d'hydratation au dessus de la surface. Des problèmes couramment négligés associés à l'excitation piezoacoustique traditionnellement utilisée sont décrits et quantifiés par rapport à la modulation de fréquence (FM) et à la modulation d'amplitude (AM) des méthodes de l'AFM en mode dynamique. Après une description de la mécanique statistique de la double couche électrique (EDL) de solutions aqueuses, des measures de spectroscopie de force de l'interface mica-eau acquises en mode FM-AFM en trois dimensions sont présentées à côté d'une analyse détaillée des profils d'amortissement et de la force utilisée pour la détermination d'une distance absolue entre la pointe et l'échantillon par comparaison à des simulations. Enfin, la mécanique statistique de l'électrochimie ionique moderne est vulgarisée, suivie d'une enquête approfondie de la voltampérométrie cyclique du 1-butyl-3-méthylimidazolium hexafluorophosphate près de l'interface du Au(111) avec comparaison avec les résultats publiés de spectroscopie d'impédance électrochimique. Les observations électrochimiques sont complétées par des mesures de spectroscopie de force réalisée à l'aide d'AM-AFM à différents potentiels électrochimiques d'électrodes à travers une fenêtre de 2 V - aucune relation entre la structure et le potentiel EDL n'a été observée.

Ultrafast electron diffraction (UED) is an emerging technique for studies of transition state and material structural dynamics at the atomic-level. UED is a time-resolved diffraction technique that uses femtosecond laser pulses to initiate a chemical or material transformation and an ultrashort electron pulse to follow the structural evolution that results through changes in the electron diffraction pattern of the sample. Electron source design for UED experiments is a challenging problem due to the high-charge density inside the ultrashort electron pulses that are required for these experiments. Coulomb repulsion (space-charge) acts to rapidly broaden these pulses both transversely and longitudinally. Controlling this space-charge broadening through appropriate electron optical design is a key aspect of UED instrumentation. In this thesis a novel electron beamline for UED that uses radio-frequency electron pulse compression is described. Design criteria for the electron optical system appropriate for this beamline is determined. The fundamentals of charged particle imaging with magnetic fields are discussed, and lenses appropriate for use in the space-charge dominated electron be are described. / La méthode de diffraction ultra-rapide d’électron (DUE) est une technique émergente visant les études des états de transition et des dynamiques structurales de la matière au niveau atomique. La DUE est une technique de diffraction au temps-résolu qui utilise les pulsations femto-secondé du laser pour déclencher une transformation chimique ou matérielle et une pulsation ultra-courte d’électron pour suivre l’évolution structurale qui résulte des changements dans le mode de diffraction d’électron de l’échantillon. La conception des sources d’électrons des expériences de la DUE est un défi vue les densités élevées des charges de pulsations ultra-courtes d’électrons requises par ces expériences. Les répulsions de Coulomb (espace-charge) agissent en élargissant ces pulsations transversalement et longitudinalement. Controller cet élargissement espace-charge à travers une conception optique adéquate de l’électron est un facteur crucial de l’instrumentation de la DUE. Cette thèse présente l’utilisation de faisceau d’électron à compression d’électron radiofréquence dans la DUE. Les critères de la conception du system optique d’électron adéquat pour le faisceau sont aussi définis. Les fondements d’imagerie à particules chargées et champs magnétiques sont abordés, et les lentilles appropriées utilisées pour les électrons dominés par l’espace-charge sont décrites.

Gauge theories and their BRST invariance are reviewed. Gauge-invariant (color) subamplitudes for non-Abelian gauge theories are discussed. BRST transformations of non-Abelian vertices are derived, and are used to obtain the gauge transformation of any Feynman diagram. From this minimal set of gauge-invariant subamplitudes in perturbation theory can be found. This knowledge is useful in the application of the spinor helicity technique, and is indispensible for future developments of non-Abelian perturbation theories.

We study the effects of paper structure on electrophotography using a phase-field type continuum model of electrostatic transfer. This model is implemented in C++ using the finite element method and allows us to solve for the electric field for a system of any dielectric configuration. We show that average toner transfer forces increase as a function of paper filler particle density, through direct coupling of filler to local paper dielectric. Specifically, fluctuations in surface fillers produce "hot spots" in the field near the surface, while those in the bulk have longer reaches. We also show that rapid fluctuations of the dielectric constant produce smaller transfer force variations than longer dielectric constant wavelength variations. / We simulate the electrostatic fields in a real cross-section of filled paper and we show that the factors that, affects the toner transfer of the system at a fixed voltage are the thickness variations, surface fillers, bulk filler content and the surface profile variations. (Abstract shortened by UMI.)

A crucial part of the Scanning Near-Field Microscope (SNOM) is the distance regulation that keeps the separation of a fiber probe tip and the sample surface constant. Previously, shear-force detection was implemented. Shear-force interactions have the disadvantage of being destructive on soft sample. The implementation of an alternative tapping-mode is investigated in this thesis. In tapping-mode, the fiber tip oscillates perpendicularly to the sample surface, thus avoiding the destructive lateral shear-force. / This thesis also provides a general overview of SNOM, including the theory of near-field, the definition of spatial resolution, as well as the tip-sample distance regulation. Tapping-mode feedback is implemented and discussed in comparison to traditional shear-force feedback. Both CD stamper and Polystyrene images were obtained by using tapping-mode SNOM, and compared to images taken under shear-force mode SNOM and Scanning Electron Microscope. Different factors, which affect the performance of tapping-mode SNOM are discussed.

We study the dynamics of two closely related periodic systems, superconducting rings and charge-density waves, using an approach based on pattern formation. / In the first part of the thesis, we concentrate on the onset of instability in a thin superconducting ring. A periodic instability appears when current is driven by an applied external voltage to the point of instability at temperatures below the critical temperature. The main contribution of this study is to investigate how the new state is selected when the system reaches the point of instability. That is, how the selection process is affected by different factors, such as the rate at which the system is driven. In addition, the generation of Ohmic resistance due to the dissipative phase slip state at the point of instability is studied. The problem of state selection at the onset of instability is a generic problem in pattern formation systems. Our results show that the onset of dissipation leads to strong non-linear effects in the state selection process. / In the second part of this thesis, we study the nonequilibrium behavior of driven charge-density waves in random media in two spatial dimensions. We propose a novel model for charge-density wave dynamics based on the Swift-Hohenberg equation. The advantage of our model is that it includes both amplitude and phase fluctuations of the condensate. We derive the model and show its formal relation to the almost universally used elastic models for charge-density waves. We demonstrate that phase slips proliferate close to the depinning transition thereby rendering a phase-only description invalid. Finally, using our model, we explain two recent experiments that cannot be captured by the traditional elastic approximation; the dynamical x-ray scattering experiments by Ringland et al. [99b], and low temperature transport experiments by Lemay et al. [99].