L’instabilité elliptique peut apparaître dès qu’un écoulement présente des lignes de courant elliptiques, ce qui en fait une instabilité générique des fluides tournants. Si sa pertinence en aéronautique ne laisse plus de doute, sa prise en compte dans l’étude des écoulements géo- et astrophysiques pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques présents aux échelles planétaires qui seront considérés dans ce travail : les marées, la précession et la libration. Un état de l’art sur les écoulements et les instabilités associés à ces forçages est alors décrit, formant le cadre de cette étude. Le chapitre 2 présente les premières simulations numériques de l’instabilité elliptique en géométrie ellipsoïdale. Ces simulations nous permettent de quantifier l’influence de différentes complexités géophysiques et d’obtenir des lois d’échelles caractérisant l’instabilité. L’interaction de l’instabilité elliptique avec les deux autres forçages mécaniques est ensuite considérée. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d’exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l’interaction des marées et de la précession. Enfin, la section 2.6 démontre que l’instabilité elliptique peut se développer à partir d’écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s’intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l’instabilité elliptique. De nouveaux résultats sur l’aspect inductif de l’instabilité sont obtenus et validés numériquement. La génération d’un effet dynamo associé à l’instabilité elliptique est également abordé. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de la dynamique non-linéaire de l’instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. L’amplitude du champ magnétique imposé pouvant être assez assez grande pour restabiliser l’écoulement, ce dispositif permet d’étudier la saturation par l’écoulement d’une telle dynamo. Des premiers résultats en ce sens sont présentés. Le chapitre 4 utilise les résultats obtenus pour étudier la présence de l’instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d’abord considéré et un scénario, basé sur l’instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée à ce contexte montre que l’instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l’instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires à Jupiter chauds est considérée, montrant sa pertinence pour certains d’entre eux tel que celui de Tau-boo. / The elliptical instability is a generic instability which takes place in any rotating fluid whose streamlines are (even slightly) elliptically deformed. Its presence in an aeronautical context is well established, but its existence in geo- or astrophysical large scale flows raises many issues. This is the starting point of this theoretical, numerical and experimental work.After introducing basics of the rotating flows, chapter 1 presents the three natural planetary mechanical forcings considered in this work : tides, precession and libration. A state-of-the-art of the flows and instabilities associated with these forcings is then given, which constitutes the framework of this study.Chapter 2 presents the first numerical simulations of the elliptical instability in an ellipsoidal geometry, relevant for planets. These simulations allow to quantify the influence of different natural geophysical complexities, and to derive the scaling laws needed to bridge the gap between numerics and planetary applications. The interaction of the elliptical instability with the two other forcings is then considered. Section 2.4 shows that the simultaneous presence of tides and libration can excite an elliptical instability inside fluid layers of synchronized celestial bodies. In section 2.5, a theoretical analysis of the interaction between tides and precession is developed and validated. Finally, in section 2.6, we prove that the elliptical instability can still develop over convective or stratified flows.Chapter 3 focuses on the magnetohydrodynamics (MHD) of the elliptical instability. New results on the magnetic induction by the elliptical instability are obtained and validated numerically. The possible dynamo capability of the instability is also tackled. The experimental part of this work, based on a MHD setup, is then described. Our measurements allow to study the non-linear dynamics of the instability under an external imposed magnetic field. The experimental setup is then modified in order to obtain a synthetic dynamo. The amplitude of the imposed magnetic field being large enough to restabilize the flow, this setup allows to study the saturation by the flow of such a dynamo. First results on this point are presented. Chapter 4 uses the obtained results to study the presence of the elliptical instability in known planets, moons, and stars. The particular case of the Moon is first considered and a scenario, based on the elliptical instability, is proposed and evaluated to explain the primitive lunar dynamo. Telluric bodies are then considered in a more general context, and a stability analysis adapted to this context shows that the instability can be expected in the Early Earth, Europa and three exoplanets (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Finally, the possible development of the instability in extra-solar Hot-Jupiters systems is considered, showing its relevance for some of them, such as the system of Tau-boo.

Lebewesen sind jeden Tag Sequenzen von Ereignissen ausgesetzt, die sie sich merken wollen. Es ist jedoch ein allgemeines Problem, dass sich die Zeitskalen des Verhaltens und der Induzierung von neuronalem Lernen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Eine mögliche Lösung könnte "Phasenpräzession" sein - das graduelle Verschieben von Aktionspotential-Phasen relativ zur Theta-Oszillation im lokalen Feldpotential. Phasenpräzession ermöglicht es, Verhaltens-Sequenzen zeitlich zu komprimieren, herunter bis auf die Zeitskala von synaptischer Plastizität. In dieser Arbeit untersuche ich das Phasenpräzessions-Phänomen im medialen entorhinalen Kortex der Ratte. Ich entdecke, dass entorhinale Gitterzellen auf der für das Verhalten relevanten Einzellaufebene Phasenpräzession zeigen und dass die Phasenpräzession in Einzelläufen stärker ist als in zusammengefassten Daten vieler Läufe. Die Analyse von Einzelläufen zeigt zudem, dass Phasenpräzession (i) in Zellen aus allen Schichten des entorhinalen Kortex existiert und (ii) von den komplexen Bewegungsmustern der Ratten in zweidimensionalen Umgebungen abhängt. Zum Abschluss zeige ich, dass Phasenpräzession zelltyp-spezifisch ist: Sternzellen in Schicht II des medialen entorhinalen Kortex weisen klare Phasenpräzession auf, wohingegen Pyramidenzellen in der selben Schicht dies nicht tun. Diese Ergebnisse haben weitreichende Implikationen sowohl für das Lokalisieren des Ursprungs als auch für die m"oglichen Mechanismen von Phasenpräzession. / Every day, animals are exposed to sequences of events that are worth recalling. It is a common problem, however, that the time scale of behavior and the time scale for the induction of neuronal learning differ by multiple orders of magnitude. One possible solution could be a phenomenon called "phase precession" - the gradual shift of spike phases with respect to the theta oscillation in the local field potential. Phase precession allows for the temporal compression of behavioral sequences of events to the time scale of synaptic plasticity. In this thesis, I investigate the phase-precession phenomenon in the medial entorhinal cortex of the rat. I find that entorhinal grid cells show phase precession at the behaviorally relevant single-trial level and that phase precession is stronger in single trials than in pooled-trial data. Single-trial analysis further revealed that phase precession (i) exists in cells across all layers of medial entorhinal cortex and (ii) is altered by the complex movement patterns of rats in two-dimensional environments. Finally, I show that phase precession is cell-type specific: stellate cells in layer II of the medial entorhinal cortex exhibit clear phase precession whereas pyramidal cells in the same layer do not. These results have broad implications for pinpointing the origin and possible mechanisms of phase precession.

Korrelationskodierung im Hippokampus bildet möglicherweise die neuronale Basis für episodisches Gedächtnis. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Phänomene der Korrelationskodierung: Phasenpräzession und Sequenzwiederholungen. Phasenpräzession bezeichnet die Abnahme der Phase des Aktionspotentials einer Ortszelle relativ zur Theta-Oszillation. Sequenzwiederholung beschreibt die Aktivität von Ortszellen in Ruhephasen; dabei werden vorangegangene Orts- Sequenzen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt. Wir untersuchen Phasenpräzession in einzelnen Versuchsdurchläufen. In bisherigen Studien wurden Daten zur Phasenpräzession in vielen Versuchsdurchläufen zusammengelegt. Wir zeigen, dass dies zu einer verzerrten Schätzung von grundlegenden Eigenschaften der Phasenpräzession führen kann. Weiterhin demonstrieren wir eine starke Variabilität der Phasenpräzession zwischen verschiedenen Versuchsdurchläufen. Daher ist Phasenpräzession besser geeignet zeitlich strukturierte Sequenzen zu lernen, als man aufgrund der zusammengelegten Daten vermutet hatte. Desweiteren untersuchen wir die Beziehung von Phasenpräzession in unterschiedlichen Teilen des Hippokampus. Wir zeigen, dass die extrazellulären Theta- Oszillationen in CA3 und CA1 außer Phase sind. Dennoch geschieht Phasenpräzession in beiden Regionen fast gleichzeitig, und CA3 Zellen feuern oft kurz vor CA1 Zellen. Diese zeitliche Beziehung ist im Einklang mit einer Vererbung von Phasenpräzession von CA3 nach CA1. Wir entwickeln ein mechanistisches Modell für Sequenzwiederholungen in umgekehrter Reihenfolge basierend auf Kurzzeitfazilitierung. Mit Hilfe des Tempotrons beweisen wir, dass die entstehenden zeitlichen Muster geeignet sind, um von nachgeschalteten Strukturen ausgelesen zu werden. Das Modell sagt voraus, dass im Gyrus Dentatus synchrone Zellaktivität kurz vor einer Sequenzwiederholung in CA3 zu sehen ist, und es zeigt, dass Sequenzwiederholungen zum Lernen von zeitlichen Mustern genutzt werden können. / Hippocampal correlation coding is a putative neural mechanism underlying episodic memory. Here, we look at two related phenomena: phase precession and reverse replay of sequences. Phase precession refers to the decrease of the firing phase of a place cell with respect to the local theta rhythm during the crossing of the place field. Reverse replay refers to reactivation of previously experienced place field sequences in reverse order during awake resting periods. First, we study properties of phase precession in single trials. Usually, phase precession is studied on the basis of data in which many place field traversals are pooled together. We find that single-trial and pooled-trial phase precession are different with respect to phase-position correlation, phase-time correlation, and phase range. We demonstrate that phase precession exhibits a large trial-to-trial variability and that pooling trials changes basic measures of phase precession. These findings indicate that single trials may be better suited for encoding temporally structured events than is suggested by the pooled data. Second, we examine the coordination of phase precession among subregions of the hippocampus. We find that the local theta rhythms in CA3 and CA1 are almost antiphasic. Still, phase precession in the two regions occurs with only a small phase shift, and CA3 cells tend to fire a few milliseconds before CA1 cells. These results suggest that phase precession in CA1 might be inherited from CA3. Finally, we present a model of reverse replay based on short-term facilitation. The model compresses temporal patterns from a behavioral time scale of seconds to shorter time scales relevant for synaptic plasticity. We demonstrate that the compressed patterns can be learned by the tempotron learning rule. The model provides testable predictions (synchronous activation of dentate gyrus during sharp wave-ripples) and functional interpretations of hippocampal activity (temporal pattern learning).

Um eine Folge von Ereignissen aus unserem Gedächtnis abzurufen, ist zunächst ein Mechanismus erforderlich, der geordnete Sequenzen abspeichert. Hierbei stehen wir vor dem Problem, dass Ereignisse in unserem Leben auf einer Zeitskala von Sekunden oder mehr stattfinden. Auf der anderen Seite basiert das Lernen von Sequenzen auf der Plastizität von Synapsen im Gehirn, die durch die Abfolge von Aktionspotentialen von Nervenzellen im Millisekunden-Bereich gesteuert wird. Um dieses zeitliche Problem zu lösen, betrachten wir den Hippocampus, eine Struktur im Gehirn von Vertebraten, die für das explizite Gedächtnis (Fakten, Ereignisse, Sequenzen) entscheidende Bedeutung hat. In Nagetieren ist der Hippocampus sehr gut untersucht. Dort wurden Neurone gefunden, die nur dann aktiv sind, wenn das Tier innerhalb einer bestimmten Region seiner Umgebung ist: im sogenannten “Ortsfeld” des entsprechenden Neurons. Während der Bewegung durch ein Ortsfeld verschiebt sich die Phase der Nervenimpulse zu immer früheren Phasen der EEG-Oszillation. Dieses Phänomen wird als “Phasenpräzession” bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Phasenpräzession eine Lösung für unser Dilemma bietet: es führt zu einer zeitlich komprimierten Darstellung der Sequenz von Orten. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich den Mechanismus und die Funktion von Phasenpräzession im Hinblick auf die Ausbreitung neuronaler Aktivität von einer Hirnregion zu einer anderen. Phasenpräzession konnte bereits in mehreren Regionen des Gehirns beobachtet werden. Bisher war unklar, ob Phasenpräzession in jeder dieser Regionen eigenständig entsteht, oder ob die Phasenpräzession von einer vorgeschalteten Population von Neuronen “vererbt” werden kann. Schliesslich diskutiere ich auf Grundlage der aktuellen Literatur, ob Phasenpräzession das Verhalten beeinflusst und gebe einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf diesem Gebiet. / The process of faithfully retrieving episodes from our memory requires a neural mechanism capable of initially forming ordered and reliable behavioral sequences. These behavioral sequences take place on a timescale of seconds or more, whereas the timescale of neural plasticity and learning is in the order of tens of milliseconds. To shed light on this dilemma, we turn to studies of hippocampal place cells in rodents, i.e., cells that selectively increase their firing rates in locations of the environment known as the place fields. Within a field, the firing phases of a place cell precess monotonically relative to the ongoing theta rhythm. This phenomenon, termed "phase precession", leads to a temporally compressed representation of the behavioral sequences experienced by the rodent, and the compressed timescale matches the requirements of neural plasticity. In this thesis, I study the mechanisms and functions of phase precession by proposing a framework that relies on the concept of inheritance: the simple idea that patterns of neural activity can be propagated from one region to another. Indeed, phase precession has been observed in several regions of the hippocampus and entorhinal cortex, and an important open question is whether phase precession emerges independently in each region, or conversely, whether phase precession can be "inherited" from an upstream neu ronal population. These results suggest that the presence of phase precession in different stages of the hippocampal circuit and other regions of the brain is indicative of a common source, a fact that can help us better understand the temporal spiking patterns in the brain. Finally, I critically review the current evidence for a behavioral role for phase precession and suggest a roadmap for future research in this field.

Magnetic resonance imaging (MRI) is an important medical imaging technique for visualizing soft tissue structures in the body. It has the advantages of being noninvasive and, unlike x-ray, does not rely on ionizing radiation for imaging. In traditional hydrogen-based MRI, the strongest measured signals are generated from the hydrogen nuclei contained in water and fat molecules.Reliable and uniform water fat separation can be used to improve medical diagnosis. In many applications the water component is the primary signal of interest, while the fat component represents a signal which can obscure the underlying pathology or other features of interest. In other applications the fat signal is the signal of interest. There currently exist many techniques for water fat separation. Dixon reconstruction techniques take multiple images acquired at select echo times with specific phase properties. Linear combinations of these images produce separate water and fat images. In MR imaging, images with high signal-to-noise ratio (SNR), that can be generated in a short time, are desired. Balanced steady-state free precession (bSSFP) MRI is a technique capable of producing images with high SNR in a short imaging time but suffers from signal voids or banding artifacts due to magnetic field inhomogeneity and susceptibly variations. These signal voids degrade image quality. Several methods have been developed to remove these banding effects. The simplest methods combine images across multiple bSSFP image acquisitions. This thesis describes a technique in water fat separation I developed which combines the advantages of bSSFP with Dixon reconstruction in order to produce robust water fat decomposition with high SNR in a short imaging time, while simultaneously reducing banding artifacts which traditionally degrade image quality. This algorithm utilizes four phased-cycled bSSFP acquisitions at specific echo times. Phase sensitive post-processing and a field map are used to prepare the data and reduce the effects of field inhomogeneities. Dixon reconstruction is then used to generate separate water and fat images.

Observations from the 1930s until the present have established the existence of dark matter with an abundance that is much larger than that of luminous matter. Because none of the known particles of nature have the correct properties to be identified as the dark matter, various exotic candidates have been proposed. The neutralino of supersymmetric theories is the most promising example. Such cold dark matter candidates, however, lead to a conflict between the standard simulations of the evolution of cosmic structure and observations. Simulations predict excessive structure formation on small scales, including density cusps at the centers of galaxies, that is not observed. This conflict still persists in early 2007, and it has not yet been convincingly resolved by attempted explanations that invoke astrophysical phenomena, which would destroy or broaden all small scale structure. We have investigated another candidate that is perhaps more exotic: Lorentz-violating dark matter, which was originally motivated by an unconventional fundamental theory, but which in this dissertation is defined as matter which has a nonzero minimum velocity. Furthermore, the present investigation evolved into the broader goal of exploring the properties of Lorentz-violating matter and the astrophysical consequences – a subject which to our knowledge has not been previously studied. Our preliminary investigations indicated that this form of matter might have less tendency to form small-scale structure. These preliminary calculations certainly established that Lorentz-violating matter which always moves at an appreciable fraction of the speed of light will bind less strongly. However, the much more thorough set of studies reported here lead to the conclusion that, although the binding energy is reduced, the small-scale structure problem is not solved by Lorentz-violating dark matter. On the other hand, when we compare the predictions of Lorentz-violating dynamics with those of classical special relativity and general relativity, we find that differences might be observable in the orbital motions of galaxies in a cluster. For example, galaxies – which are composed almost entirely of dark matter – observed to have enlarged orbits about the cluster center of mass may be an indication of Lorentz violation.

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L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une belle application de la physique et constitue sans aucun doute l’une des techniques les plus performantes d’imagerie médicale. Basée sur le phénomène de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton contenu dans les molécules d’eau, l’IRM permet d’investiguer en coupes les tissus mous du corps, sur base de contrastes différents. La méthode est non-invasive et n’utilise pas de radiations ionisantes. En plus des données morphologiques, l’IRM permet également d’obtenir des informations fonctionnelles et physiologiques.<p>De nos jours, plus de 10 000 unités IRM existent dans le monde et des millions d’examens sont réalisés chaque année. La technique est en constant développement et le domaine de recherches est multidisciplinaire. Il concerne aussi bien les développements méthodologiques (imagerie rapide, imagerie de diffusion, etc.) que technologiques (imagerie à haut champ, systèmes de gradients à commutation rapide, etc.), le point central des recherches étant l’amélioration de la qualité des images et la diminution du temps d’acquisition. Ceci implique l'optimisation des différentes séquences IRM (séries d'impulsions radiofréquence et de gradients de champ magnétique) tenant compte des contraintes imposées par le matériel, ainsi que le développement et l'optimisation du matériel lui-même. Cette thèse est consacrée au design avancé des séquences d’impulsions et contribue donc à l'optimisation des schémas d’acquisition en IRM.<p>En particulier, le présent travail est focalisé sur la compréhension et l’amélioration d’un certain type de séquences rapides, employant des échos de gradients :les séquences Steady-State Free Precession (SSFP) et plus précisément les séquences dites balanced-SSFP. Dans ce genre de schéma d’acquisition, le système est excité rapidement et périodiquement, conduisant à l’établissement d’un état stationnaire de l’aimantation. <p>La première partie de la thèse est consacrée à une analyse approfondie des propriétés du signal dans une séquence balanced-SSFP, à la fois à l’état stationnaire et à l’état transitoire. Ensuite, de nouveaux schémas d’acquisition sont développés sur base de calculs analytiques et de simulations numériques et sont ensuite testés expérimentalement. D’une part, une manipulation de l’état stationnaire est présentée en vue de supprimer le signal de la graisse sur les images (qui peut être gênant pour le diagnostic de certaines lésions ou maladies). D’autre part, l’application d’une phase de préparation en vue d’obtenir un contraste basé sur le degré de diffusion des molécules d’eau dans les tissus est analysée en détails, afin d’améliorer la qualité d’image produite par des séquences de diffusion existantes.<p>La présente thèse constitue donc un travail de recherches théoriques et expérimentales, allant de la conception de nouveaux schémas d’acquisition à leur expérimentation sur volontaires, en passant par leur implémentation sur un imageur IRM. Ce travail a été réalisé au sein de l’Unité d’IRM – Radiologie de l’Hôpital Erasme, sous la direction de Thierry Metens, Docteur en Sciences et Physicien IRM.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique d'aimantation selon deux échelles de temps en utilisant la technique pompe-sonde magnéto-optique résolue en temps. A l'échelle de la picoseconde, la précession de l'aimantation est induite par des impulsions acoustiques dans des structures multicouches composées de deux couches ferromagnétique séparées par une couche métallique (Ni/Au/Py) avec différentes épaisseurs. La synchronisation de la précession des couches ferromagnétiques couplées a été observée. La modification de la précession de l'aimantation d'une couche de Ni est due l'interaction d'échange intercouche avec la couche Py. A l'échelle de 50fs, nous avons étudié la dynamique magnéto-optique cohérente, athermale, thermale et la relaxation des charges et des spins dans (Ni, Co et Fe) par impulsions de 11 fs dans un régime de faible perturbation. L'interaction spin-orbite et l'interaction d'échange jouent un rôle significatif dans la désaimantation ultrarapide. / In this thesis, we have investigated the magnetization dynamics at picosecond and femtosecond time scale using time resolved magneto-optical pump probe technique. At picosecond time scale, the magnetization precession is induced by ultrafast acoustic pulses in a three layered structure with two ferromagnetic layers separated by varying thickness of metallic spacer layer (Ni/Au/Py). The magnetization precession dynamics of the Ni layer is modified due to the interlayer exchange interaction with the Py layer and the synchronized precession of the coupied ferromagnetic layers has been observed. At the timescale of 50fs, coherent magneto-optical, non-thermal, thermal and relaxation dynamics of charges and spins in ferromagnetic transition metals (Ni, Co and Fe) is studied by using 11fs optical pulses in a very low perturbation regime. The spin orbit interaction and exchange interaction play a significant role in the demagnetization of the ferromagnetic metals induced by femtosecond pulses.

Dynamical effects are known to reduce the signal to noise ratio in EMCD measurements making them highly dependent on sample thickness. Precession of the electron beam has been shown to reduce these effects in ordinary crystallography. This work investigates precession of the electron beam as a method of reducing the dynamical effects in EMCD using simulations. Simulations are run on BCC Fe in two and three beam conditions. The results show significant effects on the EMCD signal. However, whether these improve the signal quality seems dependent on sample orientation and thickness range. The initial findings reported here are promising and motivate further research.