Ce travail de thèse est une contribution à l'étude des propriétés de spin dans les semiconducteurs par spectroscopie de photoluminescence et par photoconductivité en vue d’applications possibles dans le domaine de l’électronique du spin.Nous avons analysé les propriétés de spin des électrons de conduction dans les matériaux semiconducteurs nitrures dilués, massif et puits quantiques (GaAsN, GaAsN/GaAs). Nous avons étudié le mécanisme de recombinaison dépendante du spin des électrons de conduction sur les centres paramagnétiques induits par l’introduction d’azote dans GaAs. Nous avons mis en évidence l’effet de « filtrage » de spin des électrons de conduction que ce mécanisme peut induire ; en particulier, nous avons mené des études détaillées en fonction de la concentration d’azote, de la puissance excitatrice, d’un champ magnétique externe et, pour les hétérostructures, de l’épaisseur des puits quantiques. L’origine chimique des centres paramagnétiques a été, de plus, identifiée par des études de résonance paramagnétique détectée optiquement (ODMR).Nous avons également complété ces études purement optiques sur la recombinaison dépendante du spin, par des expériences de photoconductivité en vue d’applications possibles liées à l’électronique du spin. Nous avons montré que la photoconductivité des matériaux nitrures dilués peut être contrôlée par la polarisation de la lumière incidente. Un détecteur électrique de la polarisation de la lumière à base de GaAsN a été ainsi fabriqué et testé.Ces résultats ont été également interprétés et simulés grâce à un système d’équations dynamiques pouvant rendre compte à la fois des résultats de photoluminescence et de transport / This thesis work is a contribution to the investigation of the spin properties of semiconductors by photoluminescence and photoconductivity spectroscopy with the aim of future applications in the spintronic field. We have studied the conduction band electron spin properties of dilute nitride semiconductors in epilayers and quantum wells (GaAsN, GaAsN/GaAs). In particular, we have investigated the spin dependent recombination of conduction band electrons on deep paramagnetic centers induced by the introduction of nitrogen into GaAs. We have also evidenced the “spin filtering” effect made possible by this spin dependent recombination mechanism. More precisely, we have carried out a systematic study of the spin filtering effect as a function of the nitrogen concentration, excitation power, external magnetic field and, for the hetero-structures, as well as a function of the quantum well thickness. The chemical origin of the deep paramagnetic centers has been also determined by optically detected magnetic resonance (ODMR). We have completed these all-optical studies on the spin dependent recombination by photoconductivity experiments in order to demonstrate a “proof of concept” system for spintronic applications. We have shown that the photoconductivity in dilute nitride semiconductors can be controlled by the polarization of the incident light: an electrical detector of the light polarization has therefore been built. These results have been as well modeled thanks to a rate equation system able to reproduced both the photoluminescence and photoconductivity experimental results

Malgré sa diffusion rapide dans le domaine des biomolécules, plusieurs problèmes restent à résoudre avant que la RMN du solide à haute résolution soit prête à faire face à des applications complexes. Afin d’étendre ses capacités, les objectifs de cette thèse sont de deux ordres: a) établir un nouveau système modèle, plus complexe que les petites protéines globulaires et b) développer de nouvelles expériences de RMN afin d'améliorer la sensibilité et la résolution des méthodes pour l'attribution de résonances. Le domaine N-terminale de l’unité de l'ADN polymérase III de E. coli a été choisi comme système cible. Les conditions de préparation de l’échantillon sont obtenues grâce aux processus de screening à haut débit, et l'attribution quasi exhaustive des résonances est effectuée par l'application des expériences bien établies basées sur les irradiations rf à haute puissance et la rotation à l'angle magique (MAS) à basse fréquence. Nous montrons que l'utilisation de vitesses à l'angle magique "ultra-rapides" (60 kHz) rend possible l'usage d'expériences aux "puissances faibles" affichant une augmentation extraordinaire de résolution et sensibilité, et permettant l'acquisition des transferts par polarisation croisée, des corrélations entre les liaisons chimiques et des corrélations détectées par 1H. Des faibles largeurs de pics sur les spectres 1H sont obtenues pour des échantillons de protéines entièrement protonées à l’état solide sans qu'une dilution dans un milieu deutéré soit nécessaire. La dernière partie de la thèse concerne l’étude de phases cristaux liquides (LX) thermotropes d'un smectogen de Vries , le dérivé (S)-hexyl-lactate, abrégé 9HL, sélectivement deutéré. / Despite the rapid diffusion of solid-state NMR (ssNMR) in the area of biomolecules, its application is far away of being systemic, and many problems remain however tobe solved before it is applied to the study of challenging solid protein assemblies. In order to extend the capabilities of ssNMR to larger substrates, the objectives of this thesis are twofold: a) to establish a new, large and more complex model system, and b) to develop new, sophisticated NMR experiments in order to improve the sensitivity and the resolution of the currently existing schemes for resonance assignment. The N-terminal domain of the Polymerase subunit III of E. coli was chosen as a target system. Sample preparation conditions are obtained, notably in combination with automated screening processes, and almost complete resonance assignment is performed based on high-power rf irradiations and slow magic-angle spinning (MAS. We show that the use use of MAS at so-called ultra-fast spinning rates (60 kHz makes possible the use of "totally low power" experiments. This yields an extraordinary increase in resolution and sensitivity, enabling the acquisition of selective cross polarization (CP) transfers, through-bond correlations and 1H-detected correlations. Narrow 1H NMR line widths and robust backbone assignment can be obtained for fully protonated medium-size protein samples in the solid state under ultra-fast magic-angle spinning, without any need for dilution against a deuterated background. The final part of this thesis concerns the study of thermotropic liquid crystals (LX) phases of a de Vries smectogen, the (S)-hexyl-lactate derivative abbreviated as 9HL, selectively deuterated. / Nonostante la rapida diffusione della RMN allo stato solido (ssNMR) nell’ambito delle biomolecule, molti problemi rimangono da risolvere prima che quest’ultima possa essere applicata ad applicazioni più complesse. Allo scopo di estendere le sue potenzialità, gli obiettivi di questa tesi sono duplici. a) stabilire un nuovo sistema modello, più complesso delle semplici proteine globulari e b) sviluppare nuovi e piu sofisticati esperimenti NMR al fine di migliorare la sensibilità e la risoluzione dei metodi attualmente esistenti per l'assegnazione delle risonanze. Il dominio N-terminale dell’unita ε della DNA Polimerasi III di E.Coli è stato scelto come sistema bersaglio. Le condizioni di preparazione del campione sono ottenute grazie a processi di screening ad alta capacita, e l’assegnazione quasi complete delle risonanze è effettuata tramite l’applicazione di esperimenti routinari basati su irradiazioni RF a alta potenza e rotazioni all’angolo magico a bassa frequenza. Mostriamo che l’utilizzo di rotazioni all’angolo magico “ultra-MAS” (60 kHz) rende possibile l’uso di esperimenti “a basse potenze” mostrando uno straordinario aumento di risoluzione e sensibilità, e permettendo l’acquisizione di trasferimenti di polarizzazione selettivi, di correlazioni scalari attraverso i legami chimici e di correlazioni acquisite al protone. Larghezze di linea sottili al protone sono ottenute per campioni di proteine interamente protonate allo stato solido senza che sia necessaria diluizione in ambiente deuterato. L’ultima parte della tesi riguarda lo studio di fasi liquido-cristalline termotropiche di uno smettogeno de Vries, il derivato dello (S)-esil-lattato, abbreviato come 9HL, selettivamente deuterato.

Terahertz time-domain spectroscopy systems were developed and used for the anaylsis and characterization of various materials. By using ultra-fast Ti:Sapphire and Er-doped fiber lasers, terahertz time-domain spectrometers of different configurations were constructed and tested. To increase the accuracy and sensitivity of the measurements, the systems were optimized for spectroscopic analysis. MBE grown nominally undoped epitaxial GaAs samples were used for the spectroscopic measurements. These samples were first charactrized by electrical measurements in order to check the accuracy of the terahertz time-domain experiments. We have shown that the terahertz time-domin spectroscopic techniques provides a quick way of the determining the real ( ) and complex () components of the refractive index of material. In addition, we have investigated the photoexcitation dynamics of these GaAs samples. We have demonstrated that direct and photoexcited terahertz time-domain measurements give an estimate of the carrier densities and both the hole and electron mobility values with good precision. rnin An algorithm is developed to prevent the unwanted Fabry-Perot reflections which is commonly encountered in Terahertz Spectroscopy systems. We have performed terahertz time-domain transmission measurements on ZnTe &lt / 110&gt / crystals of various thicknesses to test the applicability of this algorithm. We have shown that the algorithm developed provides a quick way of eliminating the &ldquo / etalon&rdquo / reflections from the data. In addition, it is also shown that these &ldquo / etalon&rdquo / effects can be used for the frequency calibration of terahertz time-domain spectrometers.

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Ce travail s’inscrit dans le projet Fusible Ecologiquement et Economiquement Efficace destiné à la protection des onduleurs à commutation en tension (FE2E) porté par la société Mersen. Les fusibles étudiés sont constitués de lames d’argent noyées dans du sable de silice aggloméré. Lors d’un court-circuit, un arc électrique apparaît au niveau de rétrécissements dans les lames d’argent (« sections réduites »). Les coupures ultrarapides (moins de 100 microsecondes) ont été très peu étudiées. La structure formée après coupure (fulgurite) est constituée d’un canal d’arc entouré de silice fondue. C’est sur ces structures que cette étude a été réalisée.Après une étude bibliographique, un travail expérimental a été mené pour comprendre comment l’énergie de l’arc est absorbée par la matière. Des observations de coupures par radiographie in situ réalisées à l’ESRF ont permis d’établir des liens entre les phénomènes de création de fulgurite et les mesures électriques. Des observations et des mesures ont été réalisées. Elles ont conduit à établir des corrélations entre le volume, la nature et la structure de la masse isolante générée lors de la coupure et les caractéristiques électriques de l’arc. Les mesures ont en particulier permis d’obtenir des dimensions et des formes caractéristiques des zones affectées thermiquement lors des coupures aux grands di/dt.Grâce à ces informations, des modèles numériques ont été développés, avec pour objectifs de décrire la formation du canal d’arc et d’estimer l’effet du confinement de l’arc par le sable de silice. Des géométries 1D axisymétriques puis 2D ont été utilisées. L’arc électrique était considéré comme une densité de puissance et le sable comme un milieu continu équivalent. Deux cas extrêmes ont été testés, l’un dans lequel la matière vaporisée est confinée dans un canal d’arc fermé, l’autre dans lequel elle s’échappe instantanément. Cela a permis d’identifier les conséquences du confinement sur les phénomènes lors de la coupure.La corrélation entre modélisation et expérience a conduit à un modèle simple dont les résultats sont conformes aux mesures expérimentales et qui permettent de donner des éléments pour le dimensionnement des nouveaux fusibles. Les phénomènes à prendre en compte dans le futur ont été identifiés, comme la propagation de la silice liquide et l’écoulement du gaz dans le milieu granulaire et la formation de l’arc. / This work is part of a project called Environmentally and Economically Effective Fuses (FE2E) driven by the Mersen company. The studied fuses are silver blades embedded in agglomerated silica sand. In case of short circuit, an electric arc appears in shrinked parts (“notches”) of silver blades. The structure formed after the cut (fulgurite) consists in an arc channel surrounded by amorphous silica. Extremely fast cuts (less than 100 microseconds) have been poorly studied.After a bibliographical review, an experimental work was performed to understand how the arc power is absorbed by the surrounding material. Power cuts observations using in situ radiography performed at the ESRF allowed to establish links between fulgurite formation phenomena and electric measurements. Observations and measurements led to correlations between volume, nature and structure of the insulating mass generated during the power cut and electrical characteristics of the arc. In particular, these measurements provided characteristic sizes and shapes for heat affected zones during power cuts at high di/dtNumerical models were developed on this basis for describing the arc channel formation and determining the role of silica sand containment. 1D then 2D axisymmetric geometries were used. The electric arc was considered as a power source and the sand as an equivalent continuous medium. Two extreme cases were tested: when the vaporized material was confined to a closed arc channel and when it escapeed immediately from the arc channel. The results helped identify the consequences of gas containment in the arc channel during power cut.Modeling vs experience correlations led to a simple model which gives information for optimizing new fuses. Some phenomena to be taken into account in future works have been identified, such as the liquid silica penetration and gas flow in the granular packing and the early stages of arc formation.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:16:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarceloVPA_DISSERT.pdf: 3152615 bytes, checksum: 2a3513c0df769468fec98423bf2dba29 (MD5) Previous issue date: 2013-03-21 / Tuberculosis is a serious disease, but curable in practically 100% of new cases, since complied the principles of modern chemotherapy. Isoniazid (ISN), Rifampicin (RIF), Pyrazinamide (PYR) and Chloride Ethambutol (ETA) are considered first line drugs in the treatment of tuberculosis, by combining the highest level of efficiency with acceptable degree of toxicity. Concerning USP 33 - NF28 (2010) the chromatography analysis to 3 of 4 drugs (ISN, PYR and RIF) last in average 15 minutes and 10 minutes more to obtain the 4th drug (ETA) using a column and mobile phase mixture different, becoming its industrial application unfavorable. Thus, many studies have being carried out to minimize this problem. An alternative would use the UFLC, which is based with the same principles of HPLC, however it uses stationary phases with particles smaller than 2 ?m. Therefore, this study goals to develop and validate new analytical methods to determine simultaneously the drugs by HPLC/DAD and UFLC/DAD. For this, a analytical screening was carried out, which verified that is necessary a gradient of mobile phase system A (acetate buffer:methanol 94:6 v/v) and B (acetate buffer:acetonitrile 55:45 v/v). Furthermore, to the development and optimization of the method in HPLC and UFLC, with achievement of the values of system suitability into the criteria limits required for both techniques, the validations have began. Standard solutions and tablets test solutions were prepared and injected into HPLC and UFLC, containing 0.008 mg/mL ISN, 0.043 mg/mL PYR, 0.030 mg.mL-1 ETA and 0.016 mg/mL RIF. The validation of analytical methods for HPLC and UFLC was carried out with the determination of specificity/selectivity, analytical curve, linearity, precision, limits of detection and quantification, accuracy and robustness. The methods were adequate for determination of 4 drugs separately without interfered with the others. Precise, due to the fact of the methods demonstrated since with the days variation, besides the repeatability, the values were into the level required by the regular agency. Linear (R> 0,99), once the methods were capable to demonstrate results directly proportional to the concentration of the analyte sample, within of specified range. Accurate, once the methods were capable to present values of variation coefficient and recovery percentage into the required limits (98 to 102%). The methods showed LOD and LOQ very low showing the high sensitivity of the methods for the four drugs. The robustness of the methods were evaluate, facing the temperature and flow changes, where they showed robustness just with the preview conditions established of temperature and flow, abrupt changes may influence with the results of methods / A tuberculose ? uma doen?a grave, por?m cur?vel em praticamente 100% dos casos novos, desde que obedecidos os princ?pios da moderna quimioterapia. S?o considerados f?rmacos de 1? linha no tratamento ? tuberculose: isoniazida, pirazinamida, etambutol e rifampicina. De acordo com USP 33 - NF28 (2010) as an?lises cromatogr?ficas para 3 dos 4 f?rmacos (isoniazida, pirazinamida e rifampicina) duram em m?dia 15 minutos e mais 10 minutos para a obten??o do 4? f?rmaco (etambutol) utilizando outra coluna, com outra mistura de fase m?vel, tornando esta aplica??o na pr?tica industrial desfavor?vel. Uma das alternativas ? utilizar o CLUE, o qual baseia-se nos mesmos princ?pios da CLAE, por?m utiliza fases estacion?rias com part?culas menores que 2 ?m. Dessa forma pretende-se com o presente estudo desenvolver e validar novos m?todos anal?ticos para determina??o simult?nea de tuberculost?ticos por CLAE/DAD e CLUE/DAD. Para isto, foi realizado um screening anal?tico, o qual verificou que ? necess?rio um gradiente de sistema de fase m?vel A (tamp?o acetato:metanol 94:6 v/v) e B (tamp?o acetato:acetonitrila 55:45 v/v). Posteriormente, ao desenvolvimento e otimiza??o do m?todo em CLAE e CLUE com a obten??o dos valores de adequabilidade do sistema dentro dos limites de aceita??es vigente para ambos as t?cnicas, as valida??es deram-se in?cio. Solu??es padr?es e solu??es testes dos comprimidos foram preparadas e injetadas no CLAE e CLUE, contendo isoniazida, pirazinamida, etambutol e rifampicina nas concentra??es de 0,008, 0,043, 0,030 e 0,016 mg.mL-1, respectivamente. A valida??o dos m?todos anal?ticos foram realizadas para: especificidade / seletividade, intervalos da curva anal?tica, linearidade, limite de detec??o, limite de quantifica??o, exatid?o, precis?o (repetibilidade, precis?o intermedi?ria) e robustez. Os m?todos foram adequados para determina??o dos 4 f?rmacos separadamente sem interfer?ncia nos demais. Precisos, devido ao fato de que os m?todos demonstraram que mesmo com varia??o de dias, al?m da repetibilidade, os valores ficaram dentro da faixa preconizada na legisla??o vigente. Lineares (R > 0,99), ou seja, os m?todos foram capazes de demonstrar que os resultados obtidos eram diretamente proporcionais ? concentra??o do analito na amostra, dentro de um intervalo especificado. Exatos, uma vez que os m?todos foram capazes de apresentar valores de coeficiente de varia??o e porcentagem de recupera??o dentro dos limites exigidos (98 a 102%). Os m?todos mostraram LD e LQ com n?veis baixos demonstrando que os m?todos possuem elevada sensibilidade aos quarto f?rmacos. A robustez foi avaliada frente ?s altera??es de temperatura e fluxo, onde os m?todos demonstraram-se robustos apenas nas condi??es previamente estabelecidas de temperatura e fluxo, altera??es bruscas podem acarretar influ?ncia nos resultados dos m?todos

En raison d’un désordre aléatoire à longue distance, un verre présente une symétrie d'inversion telle que la génération de seconde harmonique (GSH) est interdite. Cependant, par irradiation avec un laser femtoseconde (fs) très focalisé, il est possible de précipiter des cristaux optiquement non linéaires, et de rompre la symétrie d'inversion et donc d'induire une GSH. De plus, ceci peut être réalisé localement en trois dimensions. Pour la démonstration, on a appliqué, dans le système vitreux Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ le mode opératoire décrit ci-dessous qui permet la formation de cristaux de LiNbO₃, hautement optiquement non linéaire. La procédure est la suivante : 1) ajustement de la composition chimique du verre pour obtenir un verre suffisamment sensible au laser fs ; 2) contrôle des paramètres du laser (durée d'impulsion, fréquence de répétition des impulsions, vitesse de balayage du faisceau, énergie d'impulsion…) pour obtenir des nanocristaux avec répartition spatiale et taille correcte. En outre, la taille de la zone affectée doit être limitée ; 3) contrôle de l'orientation des nanocristaux. On montre qu'il est possible de satisfaire à cette condition, en contrôlant l'orientation de la polarisation du laser. Ceci a été montré par la méthode de rétrodiffusion d'électrons de diffraction (EBSD). En d'autres termes, ce processus peut être contrôlé directement avec la lumière. En outre, la spectroscopie par rayons X à dispersion d'énergie couplée à la microscopie à transmission électronique à balayage (STEM /EDS) et la microscopie électronique à transmission a révélé une microstructure orientable similaire à celle appelée nanoréseaux formée dans silice. L'originalité est que les nanocristaux optiques non linéaires texturées noyées dans un réseau de "murs" vitreux, sont alignés perpendiculairement à la direction de polarisation du laser. Il en résulte que la biréfringence et la propriété optique non linéaire peuvent être maîtrisées ensemble. Ceci est une percée dans ce travail de thèse. Ces résultats mettent en évidence des modifications spectaculaires de verre par rayonnement laser fs. Avec de nouvelles améliorations dans les techniques de fabrication, l'application de ce travail est de parvenir à réaliser un guide d'ondes biréfringent doubleur ou changeur de fréquences. / Due to random disorder, a glass exhibits inversion symmetry such that second harmonic generation (SHG) is forbidden. However, by irradiation with a tightly focused femtosecond (fs) laser, it is possible to induce nonlinear optical crystal precipitation, in order to break the inversion symmetry and thus to induce SHG. Moreover, this can be achieved locally in three dimensions. For demonstration, we applied the procedure described below in the glass system Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ that allows the formation of LiNbO₃ crystal, a highly non linear optical one. The procedure is thus the following: 1) adjustment of the glass chemical composition for obtaining a glass sensitive enough to fs laser. 2) control of the laser parameters (pulse duration, pulse repetition rate, speed of beam scanning, pulse energy…) for obtaining nanocrystals with correct space distribution and size. In addition, the size of the affected zone has to be limited. 3) control of the orientation of the nanocrystals. We show that it is possible to fulfill this condition by controlling the laser polarization orientation. This has been achieved by electron backscatter diffraction method (EBSD). In other words, this process can be controlled with light directly. In addition, energy dispersive X-ray spectroscopy coupled to scanning transmission electron microscopy (STEM/EDS) and transmission electron microscopy revealed an orientable microstructure similar to the one called nanogratings form in silica. The originality here is a textured nonlinear optical nanocrystals embedded in a network of “walls” made of vitreous phase, aligned perpendicular to the laser polarization direction. It results that birefringence and nonlinear optical property can be mastered in the same time. This is a highly valuable aspect of the work. These findings highlight spectacular modifications of glass by fs laser radiation. With further improvements in the fabrication techniques, the application of this work is to achieve SHG waveguide and birefringence-based devices.

La RMN du solide a récemment émergé en tant que technique très puissante en biologie structurale, permettant de caractériser au niveau atomique des systèmes qui ne peuvent être étudiés par d’autres méthodes. Des protocoles spécifiques à la RMN du solide sont à présent bien établis pour la préparation des échantillons, l’attribution des spectres et l’acquisition de contraintes structurales. Ensemble, ces protocoles ont ouvert la voie aux premières déterminations de structures tridimensionnelles de molécules biologiques à l’état solide avec une résolution atomique, et ce non seulement pour des échantillons protéiques microcristallins, mais également pour des systèmes plus complexes tels que des fibrilles ou des protéines membranaires.La détermination structurale de tels systèmes est cependant encore loin d’être une routine, et des avancées de plus large ampleur sont attendues grâce à des développements aux niveaux méthodologique et matériel. Pour cette raison, une majeure partie du travail présenté dans cette thèse a été consacrée au développement d’expériences à la fois nouvelles et sophistiquées pour améliorer la sensibilité et la résolution des méthodes déjà existantes pour attribuer les spectres et élargir les possibilités offertes par la RMN du solide en vue d’étudier la structure de systèmes protéiques plus larges. Ces développements reposent notamment sur l’utilisation de champs magnétiques très intenses et sur la rotation des échantillons à l’angle magique dans la gamme des très hautes vitesses angulaires. Nous montrons que dans ce cadre, il est possible de concevoir des expériences utilisant uniquement des champs radiofréquences à faible puissance ainsi que d’utiliser des transferts sélectifs, l’acquisition de corrélations à travers les liaisons chimiques et la détection proton.En particulier, nous montrons que des expériences de corrélation homonucléaire reposant sur des transferts scalaires deviennent une alternative compétitive aux expériences basées sur des transferts dipolaires. Deux nouvelles séquences d’impulsion permettant de détecter des corrélations 13C-13C à travers les liaisons chimiques avec une excellente résolution sont présentées; couplées à des transferts 15N-13C, elles permettent l’attribution des résonances de la chaîne principale des protéines avec une grande sensibilité.De plus, nous démontrons qu’il est possible d’obtenir des raies très fines pour les résonances de protons dans des protéines complètement protonées à l’état solide grâce à la rotation à l’angle magique à ultra-haute vitesse, sans avoir recours à la deutération. Dans ce contexte, nous avons développé de nouvelles stratégies permettant d’attribuer rapidement et de façon fiable les résonances des spins 1H, 15N, 13CO, 13CA et 13CB dans différentes classes de protéines, ainsi que pour mesurer des contraintes structurales à partir des distances entre protons. L’approche proposée repose sur la haute sensibilité des protons et accélère donc considérablement les processus d’attribution et de détermination structurale des protéines à l’état solide, comme illustré sur la protéine beta-2-microglobuline.Enfin, nous avons appliqué cette nouvelle approche pour réaliser l’attribution et l’étude structurale et fonctionnelle de trois catégories de complexes protéiques: les fibrilles amyloidogènes formées par beta-2-microglobuline, les nucléocapsides du virus de la rougeole, et les nucléocapsides d’Acinetobacter phage205. Nous avons également utilisé la technique de Polarisation Nucléaire Dynamique pour obtenir des informations sur l’ARN des nucléocapsides du virus de la rougeole.Nous considérons que les résultats présentés dans cette thèse représentent une avancée substantielle dans le domaine de la RMN du solide appliquée à la biologie structurale. Grâce aux progrès actuels dans ce domaine, l’impact de la RMN biomoléculaire à l’état solide promet d’augmenter dans les prochaines années. / Solid-state NMR has recently emerged as a key technique in modern structural biology, by providing information at atomic level for the characterization of a wide range of systems that cannot be investigated by other atomic-scale methods. There are now well established protocols for sample preparation, resonance assignment and collection of structural restraints, that have paved the way to the first three-dimensional structure determinations at atomic resolution of biomolecules in the solid state, from microcrystalline samples to fibrils and membrane-associated systems. These determinations are however still far from being routine, and larger breakthroughs are expected with further methodological and hardware developments. Accordingly, most of the work presented in this thesis consists of the development of new, sophisticated NMR experiments to improve the sensitivity and resolution of the currently existing schemes for resonance assignment and to extend the capabilities of solid-state NMR in terms of structural investigation of proteins for the analysis of large substrates. These developments notably rely on the use of very high magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning (MAS). We show the great potential of this particular regime, which enables the use of low-power experiments and the acquisition of selective cross-polarization transfers, through-bond correlations and 1H-detected correlations.In particular, we show that homonuclear correlation experiments based on through-bond transfers become competitive alternatives to dipolar transfer schemes. Two new pulse sequences that detect sensitive and resolved 13C-13C through-bond correlations are introduced, which coupled to 15N-13C dipolar transfer steps provide sensitive routes for protein backbone resonance assignment.Furthermore, we demonstrate that narrow 1H NMR line widths can be obtained for fully protonated proteins in the solid state under ultra-fast MAS, even without perdeuteration. In this context, we have developed new strategies for extensive, robust and expeditious assignments of the 1H, 15N, 13CO, 13CA and 13CB resonances of proteins in different aggregation states, and new schemes for the measurements of site-specific 1H-1H distance restraints. This approach relying on the very high sensitivity of 1H spins remarkably accelerates the processes of assignment and structure determination of proteins in the solid state, as shown by the assignment and de novo structure determination of native beta-2-microglobulin. Finally, we apply this new approach to perform resonance assignment and to study structural and dynamic features of three complex protein aggregates: amyloid fibrils formed by native and D76N beta-2-microglobulin, Acinetobacter phage 205 nucleocapsids and measles virus (MeV) nucleocapsids. We also used Dynamic Nuclear Polarization to obtain the first information about RNA in MeV nucleocapsids.We believe that the results presented in this thesis represent a substantial step forward for solid-state NMR in structural biology. With all the current advances in the field, the impact of biomolecular solid-state NMR is likely to increase in the next years.

Diese Arbeit wird einer Weiterentwicklung der Dichtematrixtheorie und ihrer Anwendung zum Studium ultraschneller laserpulsinduzierter Dynamik in Molekularsystemen in Wechselwirkung mit einem thermischen Bad gewidmet. Zwei grosse Themenkomplexe werden behandelt. Zuerst werden die sogenannten Gedächtniseffekte diskutiert. Diese folgen aus einer reduzierten Beschreibung des Molekularsystems, in der die Umgebungsfreiheitsgrade eliminiert werden. Im zweiten Teil wird die Laserpulssteuerung der dissipativen Molekulardynamik untersucht. Die theoretische Beschreibung von offenen Quantensystemen führt zu einer zeitlich nicht-lokalen Bewegungsgleichung: Die Zeitentwicklung des Molekularsystems hängt von seiner Vergangenheit ab. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode zur Lösung der zeitlich nicht-lokalen Bewegungsgleichung entwickelt und mit einem minimalen Modell eines polyatomaren Moleküls unter dissipativem Einfluss der Umgebung getestet. Eine analytische Lösung der Bewegungsgleichung für den speziellen Fall einer sehr langen Gedächtniszeit wurde hergeleitet. Zur Identifizierung solcher Gedächtniseffekte vergleichen wir diese analytische Lösung mit numerischen Rechnungen inklusive Gedächtnis und mit approximativen Rechnungen, die die zeitliche Nicht-Lokalität vernachlässigen. Für eine Anregung mit einem Laserpuls, der kürzer als die Gedächtniszeit des Systems ist, zeigt das Molekularsystem eine erkennbar unterschiedliche Dynamik als ohne Gedächtniss. Die Gedächtniseffekte werden mit abfallender Laserpulslänge deutlich ausgeprägter. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Anwendung der Theorie der Optimalen Kontrolle, um die molekulare Dynamik zu steuern. Aus der Theorie der Optimalen Kontrolle erhält man Laserpulse, die bestimmte Aufgaben erfüllen, z.B. die Besetzung gewünschter vibronischer Niveaus des Molekularsystems oder die Platzierung eines Wellenpakets auf einer vorgegebenen Position auf der molekularen Potentialfläche. Als erstes Beispiel haben wir die Kontrolle des dissipativen fotoinduzierten Elektronentransfers in einem Donator-Brückenmolekül-Akzeptor System betrachtet, wobei wir das Gedächtniss vernachlässigt haben. Die Steuerbarkeit des Elektronentransfers wird diskutiert und der Mechanismus, mit dem sie möglich wird, wird identifiziert. Wir haben festgestellt, dass die Steuerung der Elektronentransferreaktionen selbst unter dem Einfluss von Dissipation möglich ist, obwohl die Kontrollausbeute mit steigender Dissipation drastisch abfällt. In Anwesenheit von Dissipation verändert sich auch der Mechanismus der Steuerung. Die experimentelle Ausführbarkeit der Herstellung des aus der Theorie der Optimalen Kontrolle resultierenden Kontrollpulses wird diskutiert und Methoden werden präsentiert, die die Abschätzung der Effizienz ermöglichen, mit der ein Flussigkristall--Laserpulsformer, wie er heute in Experimenten verwendet wird, den gewünschten Puls erzeugen kann. Um zwischen verschiedenen Kontrollaufgaben zu unterscheiden, wird ein quantitatives Mass eingeführt, das die Komplexität der Kontrollaufgabe charakterisiert. Die Theorie der Optimalen Kontrolle wird auch für Molekularsysteme formuliert, die statische Unordnung zeigen, und wird auf ein Ensemble von Molekülen mit zufälligen Orientierungen angewendet. Zum Schluss wird die Bedeutung der Gedächtnisseffekte für die Steuerung der dissipativen Dynamik diskutiert und die Theorie der Optimalen Kontrolle neu formuliert um eine zeitliche Nicht-Lokalität in der Bewegungsgleichung des Molekularsystems zu berücksichtigen. / This work is dedicated to a further development of the density matrix theory and its application to the study of ultrafast laser pulse induced dynamics in molecular systems interacting with a thermal environment. Two topics are considered, first the so-called memory effects are analyzed which result from a reduced description of the molecular system excluding the environmental degrees of freedom. And secondly, the laser pulse control of dissipative molecular dynamics is examined. The theoretical description of open quantum systems results in a time non-local equation of motion so that the evolution of the molecular system depends on its past. In this work a numerical method to solve the time non-local equations of motion has been developed and tested for a minimal model of a polyatomic molecule subject to the dissipative influence of an environment. An analytical solution of the equation of motion for the special case of very long standing memory is also achieved. To identify signatures of such memory effects in general case we compare this analytical solution with numerical calculations involving memory and with approximative computations ignoring time non-locality. For the excitation by a laser pulse shorter than the duration of the memory the molecular systems exhibit noticeably different dynamics than for the absence of the memory. The effects become significantly more pronounced with decreasing laser pulse durations. The second part of the work concentrates on the application of the optimal control theory to guide molecular dynamics. Optimal control theory provides laser pulses which are designed in such a manner to fulfill certain control tasks, e.g. the population of a desired vibrational level of the molecular system or the placement of a wavepacket on a prescribed position on the molecular potential energy surface. As a first example the control of the dissipative photo-induced electron transfer in a donor--bridge--acceptor systems has been particularly considered ignoring the memory. The controllability of the electron transfer has been discussed and the mechanism by which it becomes possible has been identified. We have found the control of electron transfer reactions feasible even under the influence of dissipation although the yield of the control decreases drastically with increasing dissipation. In the presence of dissipation mechanism of the control has been found to change. The feasibility of the reproduction of the control pulses resulting for the optimal control theory in the experiment has been discussed and methods have been presented how to check the efficiency of the reproduction of optimal control pulses by liquid crystal pulse shapers, prevailingly used in modern control experiments. To distinguish different control tasks a quantitative measure has been introduced characterizing complexity of the control task. The optimal control theory has also been formulated for molecular systems showing static disorder and applied on an ensemble of molecules exhibiting random orientations. Finally, the importance of memory effects for the control of dissipative dynamics has been discussed and the optimal control theory has been formulated to account for a time non-locality in the equation of motion for molecular systems.

<p>Atoms, molecules and clusters all constitute building blocks of macroscopic matter. Therefore, understanding the electronic and geometrical properties of such systems is the key to understanding the properties of solid state objects.</p><p>In this thesis, some atomic, molecular and cluster systems (clusters of O₂, CH₃Br, Ar/O₂, Ar/Xe and Ar/Kr; dimers of Na; Na and K atoms) have been investigated using synchrotron radiation, and in the two last instances, laser light. We have performed x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on all of these systems. We have also applied ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), resonant Auger spectroscopy (RAS) and near-edge x-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) to study many of the systems. Calculations using <i>ab initio</i> methods, namely density functional theory (DFT) and Møller-Plesset perturbation theory (MP), were employed for electronic structure calculations. The geometrical structure was studied using a combination of <i>ab initio</i> and molecular dynamics (MD) methods.</p><p>Results on the dissociation behavior of CH₃Br and O₂ molecules in clusters are presented. The dissociation of the Na₂ molecule has been characterized and the molecular field splitting of the Na 2<i>p</i> level in the dimer has been measured. The molecular field splitting of the CH₃Br 3<i>d</i> level has been measured and the structure of CH₃Br clusters has been determined to be similar to the structure of the bulk solid. The diffusion behavior of O₂, Kr and Xe on large Ar clusters, as a function of doping rate, has been investigated. The shake-down process has been observed from excited states of Na and K. Laser excited Na atoms have been shown to be magnetically aligned. The shake-down process was used to characterize the origin of various final states that can be observed in the spectrum of ground-state K.</p>