L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil important pour l’investigation qualitative et quantitative de la physiologie du cerveau. L’investigation de l’activité neuronale à l’aide de cette modalité est possible grâce à la détection de changements hémodynamiques qui surviennent de manière concomitante aux activités de signalisation des neurones, tels l’augmentation régionale du débit sanguin cérébral (CBF) ou encore la variation de la concentration de désoxyhémoglobine dans les vaisseaux veineux. Pour étudier la formation de contrastes fonctionnels qui découlent de ces phénomènes, deux séquences de pulses ont été développées en vue d’expériences en IRM fonctionnelle (IRMf) visant l’imagerie du signal oxygéno-dépendant BOLD ainsi que de la perfusion. Le premier objectif de cette thèse fut le développement d’une séquence de type écho-planar (EPI) permettant l’acquisition entrelacée d’images en mode échos de gradient (GRE-EPI) ainsi qu’en mode échos de spins (SE-EPI) pour l’évaluation de la performance de ces deux méthodes d’imagerie au cours d’une expérience en IRMf BOLD impliquant l’utilisation d’un stimulus visuel chez 4 sujets adultes sains. Le deuxième objectif principal de cette thèse fut le développement d’une séquence de marquage de spins artériels employant un module de marquage fonctionnant en mode pseudo-continu (pCASL) pour la quantification du CBF au repos. Cette séquence fut testée chez 3 sujets adultes en bonne santé et sa performance fut comparée à celle d’une séquence similaire développée par un groupe de recherche extérieur. Les résultats de l’expérience portant sur le contraste BOLD indiquent une supériorité de la performance du mode GRE-EPI vis-à-vis celle du mode SE-EPI en termes des valeurs moyennes du pourcentage de l’ampleur d’effet et du score t associés à l’activité neuronale en réponse au stimulus. L’expérience visant la quantification du CBF démontra la capacité de la séquence pCASL développée au cours de ce projet de calculer des valeurs de la perfusion de la matière grise ainsi que du cerveau entier se retrouvant dans une plage de valeurs qui sont physiologiquement acceptables, mais qui demeurent inférieures à celles obtenues par la séquence pCASL développée par le groupe de recherche extérieur. Des expériences futures seront effectuées pour optimiser le fonctionnement des séquences présentées dans ce mémoire en plus de quantifier l’efficacité d’inversion de la séquence pCASL. / Magnetic resonance imaging (MRI) is an important tool for the qualitative and quantitative investigation of brain physiology. The investigation of neuronal activation using this modality is made possible by the detection of concomitantly-arising hemodynamic changes in the brain’s vasculature, such as localized increases of the cerebral blood flow (CBF) or the variation of the concentration of paramagnetic deoxyhemoglobin in venous vessels. To study the formation of functional contrasts that stem from these changes in MRI, two pulse sequences were developed in this thesis to carry out experiments in blood oxygenation level dependent (BOLD) and perfusion functional MRI (fMRI). The first objective laid out in this work was the development of an echo planar imaging (EPI) sequence permitting the interleaved acquisition of images using gradient-echo EPI and spin-echo EPI to assess the performances of these imaging techniques in a BOLD fMRI experiment involving a visual stimulation paradigm in 4 healthy adult subjects. The second main objective of this thesis was the development of a pseudo-continuous arterial spin labelling (pCASL) sequence for the quantification of cerebral blood flow (CBF) at rest. This sequence was tested on 3 healthy adult subjects and compared to an externally-developed pCASL sequence to assess its performance. The results of the BOLD fMRI experiment indicated that the performance of GRE-EPI was superior to that of SE-EPI in terms of the average percent effect size and t-score associated with stimulus-driven neuronal activation. The CBF quantification experiment demonstrated the ability of the in-house pCASL sequence to compute values of CBF that are within a range of physiologically-acceptable values while remaining inferior to those computed using the externally-developed pCASL sequence. Future experiments will focus on the optimization of the sequences presented in this thesis as well as on the quantification of the pCASL sequence’s labelling efficiency.

L’objectif ici était de développer une méthode de détection des tumeurs cérébrales via des agents de contraste pour l’IRM du 19F à 7 teslas. Nous évaluons en particulier le potentiel de cette méthode à mettre en évidence l’angiogenèse tumorale à l’aide d’agents de contraste fonctionnalisés avec le peptide RGD et ciblant l’intégrine ανβ3, biomarqueur surexprimé à la surface des néo-vaisseaux irriguant la tumeur. Du fait des basses concentrations locales en agent de contraste, les efforts portent dans un premier temps sur l’optimisation d’une séquence multi échos de spin dédiée à l’imagerie du PFOB (perfluorooctyl bromure), perfluorocarbure biocompatible choisi pour constituer la base de nos agents de contraste. Nous montrons qu’un paramétrage minutieux de cette séquence permet la suppression de la J-modulation et un rehaussement du T2, conduisant à une excellente sensibilité in vitro. La séquence est ensuite testée pour des mesures d’oxygénation dans le foie et la rate chez la souris, après injection d’une émulsion de PFOB. Les résultats indiquent une très bonne précision des mesures après injection d’une seule dose d’émulsion. Notre séquence est également utilisée pour réaliser une étude de biodistribution dynamique, permettant de suivre l’accumulation des nanoparticules d’émulsion dans le foie et la rate juste après injection. Nous montrons par ailleurs qu’il est possible d’évaluer la furtivité d’émulsions contenant différentes quantités de PEG (Poly Ethylène Glycol) en ajustant les données expérimentales sur un modèle pharmacocinétique empirique. La séquence est enfin utilisée pour détecter des nanoparticules d’émulsions fonctionnalisées pour cibler l’intégrine ανβ3 dans un modèle souris U87 de glioblastome. Nous comparons les concentrations en agent de contraste obtenues dans la tumeur avec une émulsion contenant le peptide RGD, et une émulsion contrôle. Les résultats indiquent des concentrations significativement plus élevées avec l’émulsion RGD qu’avec l’émulsion contrôle, supposant un ciblage spécifique d’ανβ3 par les nanoparticules fonctionnalisées. Un dernier chapitre est dédié à une nouvelle méthode de spectroscopie de diffusion en 19F, dont le but est d’éliminer le signal vasculaire provenant des nanoparticules de PFOB circulantes afin d’évaluer le signal ne provenant que des particules liées. / This study aimed at developing a method for detection of brain tumors at 7 teslas thanks to 19F MRI contrast agents. We particularly assessed the potential of this method to highlight tumor angiogenesis with RGD-functionalized contrast agents targeting ανβ3 integrin, a biomarker over-expressed at the surface of new capillary blood vessels. Owing to low local concentrations in contrast agent, the first step consisted in optimizing a multi spin echo sequence dedicated to a well-known biocompatible perfluorocarbon, perfluorooctylbromide (PFOB). We show that careful adjustment of sequence parameters allows cancellation of J-modulation and T2 enhancement, and yields an excellent sensitivity in vitro. Our sequence was then tested for oxygenation measurements in the mouse liver and spleen after injection of a PFOB emulsion. The results demonstrate very good accuracy of the measurements after one single infusion of emulsion. We also perform a dynamic biodistribution study in order to monitor emulsion nanoparticle uptake in the liver and spleen. Moreover, we show that stealth of emulsions grafted with different quantities of polyethylene glycol (PEG) can be assessed by fitting experimental data with a pharmacokinetic empirical model. Our sequence was finally used to visualize ανβ3-targeted nanoparticles in a U87 glioblastoma mouse model. Concentrations found in tumors after injection of an RGD-functionalized emulsion and a control emulsion are compared. Concentrations are found to be significantly higher with the RGD emulsion than with the control emulsion, suggesting specific binding of functionalized nanoparticles with ανβ3 integrin. The last part is dedicated to a new diffusion-weighted 19F NMR spectroscopy sequence. This method aims at suppressing vascular signal coming from circulating PFOB nanoparticles in order to evaluate signal coming from bound nanoparticles only.

Cette thèse porte sur l'utilisation de plusieurs techniques de diffusion de neutrons polarisés pour la conduite d'expériences de diffraction et de spectroscopie inélastique à haute résolution. Nous décrivons de façon exhaustive l'option à écho de spin neutronique résonant ZETA, installée sur le spectromètre triple axe thermique CRG IN22 à l'Institut Laue Langevin. Grâce à elle, nous étudions la structure nucléaire et la dynamique de spin de plusieurs systèmes modèles. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la série BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P) dont les membres sont de bons exemples de systèmes magnétiques quasi-bidimensionnels. L'effet de la mise en ordre magnétique sur leurs paramètres de maille est révélé par diffraction de Larmor. De plus, nous montrons que l'évolution thermique de la durée de vie du mode de magnon optique dans BaNi2(PO4)2 est fortement affecté par la présence de défauts dans sa structure. Ensuite, nous abordons le composé à chaînes et échelles de spin 1/2 Sr14Cu24O41. Nous nous focalisons d'abord sur l'étude du pic inélastique associé au gap de spin des échelles et présentons une méthode capable de montrer de façon directe la dégénérescence de la transition concernée. Ensuite, nous évaluons sa largeur énergétique intrinsèque et observons l'effet des différentes mises en ordre de charge sur la structure cristallographique du matériau. Finalement, nous adaptons l'instrumentation disponible pour mener des expériences de réflectométrie résolues en temps, par le biais de la méthode MIEZE, sur une multicouche magnétique pouvant posséder des propriétés intéressante pour des applications en spintronique / This thesis is mainly concerned with the use of several polarized neutron scattering techniques for carrying high resolution diffraction and inelastic spectroscopy experiments. We describe exhaustively our neutron resonant spin-echo option ZETA, installed on the thermal triple-axis spectrometer CRG IN22 at Institut Laue Langevin. Through it, we study the nuclear structure and spin dynamics of several model systems. First, we are interested in the BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P)-family which members are good prototypes of quasi-2D magnetic systems. The effect of magnetic ordering on lattice constants is revealed thanks to Larmor diffraction. Moreover, we show that the thermal evolution of optic magnon lifetime in BaNi2(PO4)2 is strongly affected by the presence of defects in its structure. Then, we address the spin-chain and -ladder compound Sr14Cu24O41. We first focus on the study of the inelastic peak associated with the spin gap in the ladders spectrum and introduce a method capable of showing directly the degeneracy of the associated spin transition. We also evaluate its intrinsic linewidth and observe the effect of different charge ordering process on the material crystallographic structure. Ultimately, we adapt our instrumentation to perform time-resolved reflectometry experiments on a magnetic multilayer which can possess interesting properties for spintronics applications, through the so-called MIEZE technique.

La investigación y desarrollo de líquidos iónicos a temperatura ambiente (RTILsl va cobrando mayor importancia, como una necesidad de contar con materiales y sustancias químicas apropiados para diversos procesos químico-industriales, así como al creciente uso de ciertas fuentes alternativas de energía, más llevaderos con nuestro medio ambiente. En este artículo se hace una reseña sobre los líquidos iónicos, sus propiedades físicas y de transporte, aplicaciones presentes y futuras. / Room temperature ionic liquids (RTILs): Properties, applieations and future prospeetsResearch and development of room-temperatureionic I iquids (RTILs) is becoming more important, as a need to count with materials and chemical substances suitable for several processes in chemical industries, as well as for the growing use of alternative sources of energy, much more friendly with our environment. In this paper is presented a review on ionic liquids, their physical and transport properties, current and future applications

The work analyses formation of deformations of RF magnetic field within the environment of electrically and magnetically conductive materials. An analytic solution of the problem is created and the problems of numerical modeling are solved. In theoretical way, the work also familiarize with the use of magnetic resonance imaging method - the spin echo method (SE), with its features and possibilities of its use within the aim of the project. This method is used for experimental measurements of electrically conductive materials in the NMR laboratory in ISI AV Czech Republic. Results of the simulation are compared with results of the experimental measurement.

The thesis deals with RF spectroscopic methods, which are applicable for the detection of hazardous substances such as explosives or drugs. Particular attention is focused on promising method of nuclear quadrupole resonance. Abroad this method has recently been applied in the detection of energetic materials in hazardous locations. The cornerstone of the nuclear quadrupole resonance is to evaluate the interaction between electromagnetic radiation, in the range of medium to very short waves, and the researched substance. Observed parameter are the resonant frequencies of the substance. Spectral analysis of signal is used for their evaluation. Resonant frequencies are always typical for the crystalline structure, therefore every explosive or drug is clearly identifiable by this method.

Magnetic resonance imaging is a routine and powerful diagnostic technique capable of providing detailed information about the structure and composition of the tissues. This diploma thesis is concerned with the mechanisms of contrast origin and contrast modifications by molecular and nanoparticle contrast agents. First sections of the thesis summarize basic knowledge about pulse sequences and it aims to provide an overview on MRI contrast agent with a special emphasis on paramagnetic gadolinium contrast agents and superparamagnetic nanoparticles. The main purpose of this study is to develop the software called MRICalc, which is able to optimize contrast in MRI images. Based on analysis of signal formula of typical pulse sequences, MRICalc is able to propose the parameters of the pulse sequence for compartment-specific enhancement of the contrast. User chooses from the list of the samples and after calculation he obtains the values of echo time, repetition time and flip angle, all of which simultaneously seem to create the appropriate setting to enhance the contrast. MRICalc also allows to plot contrast function with respect to the chosen parameter. Software, including its graphical user interface, is designed in Python. The sample consists from solution of CuSO4 and distilled water was designed to verify the correct function of MRICalc. Sulphate represents a contrast agent. Preclinical MR system Bruker BioSpec 94/30 USR located at Institute of Scientific Instruments of the ASCR, v.v.i was used to measure contrast curve of FLASH pulse sequence, which is a typical representative of gradient echo. Results of the measurement were compared to the theoretical model provided by MRICalc.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur deux sujets distincts. Le premier concerne la réponse d'un diélectrique cristallin à un champ électrique uniforme ; il s'ancre sur la théorie moderne de la polarisation développée par King-Smith, Vanderbilt et Resta. En nous restreignant d'abord au cas unidimensionnel, nous décrivons de manière perturbative à faible champ électrique le spectre de Wannier-Stark d'un modèle de bande. Nous utilisons ensuite ce développement dans une approche thermodynamique que nous modifions pour palier aux problèmes posés par le caractère non-borné du spectre de Wannier-Stark : nous introduisons en particulier un potentiel chimique local assurant la neutralité électrique locale au sein du cristal. Cette approche permet d'accéder à la polarisation et à la susceptibilité électrique des cristaux diélectriques. Finalement, nous étendons le travail effectué au cas bidimensionnel où de nouvelles caractéristiques associé aux isolants topologiques apparaissent.Le deuxième sujet porte sur la synchronisation de spin dans les gaz d'atomes froids. Nous étudions la compétition entre le mécanisme d'écho de spin et le phénomène d'auto-synchronisation lié à l'effet de rotation des spins identiques (emph{ISRE}). La méthode de l'écho de spin permet de compenser certains déphasage apparaissant dans une gaz d'atomes ultra-froid piégé, et accroît ainsi le temps de cohérence de l'ensemble. L'emph{ISRE} apparaît dans les gaz denses via les collisions entre atomes et conduit également à un accroissement du temps de cohérence. Nous montrons que ces deux mécanismes ne sont pas systématiquement compatibles. En particulier, leur compatibilité est lié à la relation entre les échelles de temps propres à chacun des phénomènes. / The work exposed in this manuscript covers two distinct topics. The first is about the response of crystalline dielectrics to an external static electric field; it is based on King-Smith, Vanderbilt and Resta modern theory of polarisation. Restricting ourselves to the 1D case, we first describe the Wannier-Stark ladder of a band model with a low-field perturbative approach. We then use this development to derive the thermodynamical response of the band model. We have to modify the usual thermodynamics to account for the unboundedness of the Wannier-Stark spectrum, through the introduction of a local chemical potentiel which ensures local electric neutrality in the crystal. In a last step, we extend our approch to the 2D cas, where new characteristics related to the topic of topological insulators appear.The second topic tackles synchronization and spin-echo in cold atom gases. We study the competition between the spin-echo mechanism and the self-synchronization mechanism which emerges from the identical spin rotation effet (emph{ISRE}). The spin-echo thechnique was built to compensate for some the of dephasing that appears in trapped ultra-cold gases, leading to an increased coherence time for the ensemble. The emph{ISRE} appears in dense atomic clouds where collisions also lead to an increased coherence time. We show that these two mechanism are not always compatible, in particular, their compatibility is based on the relation between the time scales associated to both phenomena.

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Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques. / This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.