Les nano-aimants se situent à la limite entre le complexe moléculaire et l'état massif. D'un point de vue fondamental, les effets dus à la taille réduite du système et en particulier les effets de surface sont susceptibles de faire apparaitre de nouvelles propriétés. Ces propriétés peuvent être à l'origine de nouvelles applications dans des domaines comme le stockage d'information magnétique, la catalyse, la biotechnologie, le diagnostic médical ou l'énergie. Dans ce travail, des nanoparticules de 1,5 à 5 nm de diamètre ont été synthétisés par low energy cluster beam deposition (LECBD) puis encapsulées dans différentes matrices. Dans un premier temps, des systèmes modèles à base de nanoparticules de cobalt fortement diluées dans différentes matrices ont été synthétisés dans l'optique de remonter le plus précisément aux propriétés intrinsèques des nano-aimants. La suite de ce travail a consisté à augmenter la concentration en nanoparticules dans ces échantillons afin de caractériser l'influence des interactions sur le comportement magnétique macroscopique des particules. Enfin, après l'élaboration d'outils permettant de déterminer précisément les propriétés de systèmes modèles, ceux-ci ont été appliqués à des systèmes bimétalliques à fort intérêts théorique et applicatif (FeRh et FeAu). Nous avons montré que, après recuit sous ultra-vide, les nanoparticules d'alliage FeRh en matrice de carbone présentent une transition de phase A1 vers B2 sans trace de pollution ni de coalescence. Cette transition a été mise en évidence structurellement par microscopie électronique à transmission haute résolution et magnétiquement par magnétométrie à SQUID et dichroïsme magnétique de rayons X.

Cette thèse présente une étude du transport quantique et de la localisation d'Anderson d'ondes de matière sans interaction dans des désordres anisotropes. À l'aide d'approches microscopiques, nous étudions l'effet des corrélations du désordre dont nous démontrons qu'elles peuvent considérablement modifier les propriétés du transport quantique à 1D, 2D et 3D. Nous développons des outils généraux et les appliquons à des modèles de désordre continu pertinents pour les expériences d'atomes ultrafroids : les potentiels de tavelures optiques (" speckle "). Dans un premier temps, à une dimension, nous raffinons les précédents modèles du processus de localisation d'un nuage d'atomes ultrafroids en expansion dans un potentiel de speckle usuel, et nous montrons que la prise en compte de nouveaux éléments devrait permettre d'expliquer les écarts entre les résultats expérimentaux et théoriques observés précédemment. Nous étudions ensuite le transport quantique et la localisation d'Anderson en dimensions supérieures, plus particulièrement dans des désordres aux corrélations anisotropes, ce qui est naturellement le cas dans la plupart des potentiels de speckle. Nous calculons les propriétés de transport quantique et proposons une nouvelle méthode pour estimer la position du seuil de localisation à 3D (seuil de mobilité). Nos prédictions théoriques sont ensuite comparées aux résultats obtenus par deux expériences récentes ayant observé la localisation tri-dimensionnelle d'ondes de matière. Enfin, nous approfondissons notre étude des effets des corrélations du désordre. Nous démontrons qu'elles peuvent induire l'inversion des anisotropies de localisation et une amplification de la localisation d'Anderson avec l'énergie de la particule, lorsqu'elles sont judicieusement adaptées.

Le suivi des interactions entre protéines, localisées à la membrane plasmique ou à l'intérieur de cellules, a été réalisé au cours de cette thèse par imagerie de fluorescence et par l'analyse de processus dits de FRET (Forster Resonance Energy Transfer). Pour quantifier le FRET entre nos protéines d'intérêt, nous avons choisi le contraste de durée de vie de fluorescence car cette méthode est indépendante de la concentration et de l'intensité de fluorescence. Afin d'obtenir une résolution suffisante pour des problématiques neurobiologiques, un microscope TIRFLIM (Total Internal Reflection Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) avait préalablement été développé. Celui-ci nous permet de faire de l'imagerie en plein champ avec une résolution axiale sub-longueur d'onde. Ce dispositif a été calibré et optimisé au cours de cette thèse pour répondre au mieux à des problématiques biologiques. Différentes approches ont ainsi été testées dans le but de calibrer la profondeur de pénétration de l'onde évanescente. Des surfaces plasmoniques ont entre autres été utilisées pour augmenter la sélectivité axiale du montage. Notre microscope a été dédié à l'étude de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre la protéine précurseur de l'amyloïde APP, protéine transmembranaire impliquée dans la maladie d'Alzheimer et une de ses enzymes de clivage BACE1. Nous avons ainsi effectué un suivi dynamique de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre APP et BACE1 dans des cellules HEK-293 et dans des cultures primaires de neurones d'hippocampe d'embryons de rat, de la membrane plasmique à l'intérieur des cellules grâce à notre dispositif TIRFLIM. La mesure d'anisotropie de fluorescence résolue en temps a également été implémentée sur notre montage. Ces mesures résolues en temps et en polarisation ont permis de mesurer le temps de corrélation rotationnelle de fluorophores et de mettre en évidence de manière qualitative différents niveaux d'homodimérisation de protéines impliquées dans la maladie d'Alzheimer.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser des vannes de spin " naturelles " constituées d'un matériau unique. Le matériau en question doit contenir une alternance de feuillets magnétiques et non magnétiques et présenter différents états magnétiques. Ce système modèle ne présenterait alors ni d'inter diffusion ni de rugosité aux interfaces magnétiques/non-magnétiques et pourrait constituer un système modèle pour les études des phénomènes de transport dépendant de spin. Le CoV2O6 est un oxyde polymorphe de basse dimensionnalité. Les deux phases (α et γ) présentent chacune plusieurs plateaux d'aimantation induits par un champ magnétique. Le premier objectif est de comprendre la structure cristalline et magnétique de ce composé, ce qui a été réalisé par des mesures d'aimantation, de diffraction des rayons X et de neutrons sur des poudres et monocristaux. Les résultats de la phase α sont appuyés par des calculs ab initio. Le second objectif est de déposer ce matériau en couche mince afin d'analyser ses propriétés de transport. Des films épitaxiés de γ CoV2O6 ont été obtenus sur TiO2(100) et TiO2/Pt(111) par ablation laser. Le dépôt sur l'électrode de Pt montre la présence de six variants entrainant l'observation de plateaux d'aimantation supplémentaires.

La biophotonique a permis de nombreuses avancées scientifiques, tant dans le domaine de la compréhension des mécanismes du vivant que dans le domaine de la médecine. Les biopuces optiques sont des outils participants à une plus grande compréhension des interactions biomoléculaires de surface et ont rendu possible le diagnostic génétique à haut débit ou la caractérisation simultanée d'un grand nombre d'interactions protéiques en parallèle. Les biopuces à résonance de plasmon de surface permettent de plus la caractérisation dynamique des interactions biomoléculaires, tout en se passant de l'utilisation de marqueurs fluorescents. L'objectif principal de ce travail a reposé sur la mise au point expérimentale d'un système de biopuces à résonance de plasmon de surface capable de caractériser dynamiquement l'anisotropie résultante de l'orientation moyenne d'édifices biomoléculaires de surface. La validation du système ainsi réalisé a été effectuée au travers de trois applications : l'observation de l'orientation de biomolécules sous l'effet d'un changement de régime fluidique ; la détermination de l'anisotropie induite par un champ électrique sur un assemblage biomoléculaire d'épaisseur nanométrique ; et enfin l'orientation de filaments de billes magnétiques microniques sous l'effet d'un champ magnétique. Le second objectif de ce travail reposait sur l'étude et le développement de nouveaux substrats métalliques structurés latéralement. La perturbation locale du champ évanescent se propageant à la surface du métal a ainsi pu être mis en évidence par le biais d'échantillons micro- puis nano- structurés.

Earthquakes form by sudden brittle failure of rock mostly as shear ruptures along a rupture plane. Beside this, mechanisms other than pure shearing have been observed for some earthquakes mainly in volcanic areas. Possible explanations include complex rupture geometries and tensile earthquakes. Tensile earthquakes occur by opening or closure of cracks during rupturing. They are likely to be often connected with fluids that cause pressure changes in the pore space of rocks leading to earthquake triggering. Tensile components have been reported for swarm earthquakes in West Bohemia in 2000. The aim and subject of this work is an assessment and the accurate determination of such tensile components for earthquakes in anisotropic media. Currently used standard techniques for the retrieval of earthquake source mechanisms assume isotropic rock properties. By means of moment tensors, equivalent forces acting at the source are used to explain the radiated wavefield. Conversely, seismic anisotropy, i.e. directional dependence of elastic properties, has been observed in the earth's crust and mantle such as in West Bohemia. In comparison to isotropy, anisotropy causes modifications in wave amplitudes and shear-wave splitting. In this work, effects of seismic anisotropy on true or apparent tensile source components of earthquakes are investigated. In addition, earthquake source parameters are determined considering anisotropy. It is shown that moment tensors and radiation patterns due to shear sources in anisotropic media may be similar to those of tensile sources in isotropic media. In contrast, similarities between tensile earthquakes in anisotropic rocks and shear sources in isotropic media may exist. As a consequence, the interpretation of tensile source components is ambiguous. The effects that are due to anisotropy depend on the orientation of the earthquake source and the degree of anisotropy. The moment of an earthquake is also influenced by anisotropy. The orientation of fault planes can be reliably determined even if isotropy instead of anisotropy is assumed and if the spectra of the compressional waves are used. Greater difficulties may arise when the spectra of split shear waves are additionally included. Retrieved moment tensors show systematic artefacts. Observed tensile source components determined for events in West Bohemia in 1997 can only partly be attributed to the effects of moderate anisotropy. Furthermore, moment tensors determined earlier for earthquakes induced at the German Continental Deep Drilling Program (KTB), Bavaria, were reinterpreted under assumptions of anisotropic rock properties near the borehole. The events can be consistently identified as shear sources, although their moment tensors comprise tensile components that are considered to be apparent. These results emphasise the necessity to consider anisotropy to uniquely determine tensile source parameters. Therefore, a new inversion algorithm has been developed, tested, and successfully applied to 112 earthquakes that occurred during the most recent intense swarm episode in West Bohemia in 2000 at the German-Czech border. Their source mechanisms have been retrieved using isotropic and anisotropic velocity models. Determined local magnitudes are in the range between 1.6 and 3.2. Fault-plane solutions are similar to each other and characterised by left-lateral faulting on steeply dipping, roughly North-South oriented rupture planes. Their dip angles decrease above a depth of about 8.4km. Tensile source components indicating positive volume changes are found for more than 60% of the considered earthquakes. Their size depends on source time and location. They are significant at the beginning of the swarm and at depths below 8.4km but they decrease in importance later in the course of the swarm. Determined principle stress axes include P axes striking Northeast and Taxes striking Southeast. They resemble those found earlier in Central Europe. However, depth-dependence in plunge is observed. Plunge angles of the P axes decrease gradually from 50° towards shallow angles with increasing depth. In contrast, the plunge angles of the T axes change rapidly from about 8° above a depth of 8.4km to 21° below this depth. By this thesis, spatial and temporal variations in tensile source components and stress conditions have been reported for the first time for swarm earthquakes in West Bohemia in 2000. They also persist, when anisotropy is assumed and can be explained by intrusion of fluids into the opened cracks during tensile faulting. / Erdbeben entstehen durch plötzlichen Sprödbruch des Gesteins, meist als Scherbruch entlang einer Bruchfläche. Daneben werden für einige Beben v.a. in vulkanischen Gebieten auch Mechanismen beobachtet, die scheinbar vom Modell des Scherbruches abweichen. Ursachen dafür beinhalten komplexe Bruchgeometrien und tensile Erdbeben. Bei tensilen Erdbeben kommt es während des Bruchs zum Öffnen oder Schließen der Bruchfläche und damit zu Volumenänderungen. Erdbeben mit tensilen Anteilen stehen wahrscheinlich oft im Zusammenhang mit Fluiden, welche zur Durckänderung im Porenraum von Gesteinen und damit zum Auslösen des Bebens führen. Sie wurden auch im Vogtland während eines Erdbebenschwarms im Jahr 1997 beobachtet. Die Beurteilung und sichere Bestimmung tensiler Anteile von Erdbeben sind Ziel und Gegenstand dieser Arbeit. Bei Standardverfahren zur Bestimmung von Erdbebenmechanismen werden isotrope Gesteinseigenschaften angenommen. Momententensoren beschreiben dabei Kräfte, die das abgestrahlte Wellenfeld erklären. Allerdings wird seismische Anisotropie, d.h. Richtungsabhängigkeit elastischer Eigenschaften, in der Erdkruste und im Mantel wie z.B. im Vogtland beobachtet. Anisotropie bewirkt im Vergleich zu isotropen Medien Veränderungen der Wellenamplituden und -polariserungen sowie das Aufspalten von Scherwellen. In der vorliegenden Arbeit werden daher der Einfluss seismischer Anisotropie auf wahre oder scheinbar auftretende tensile Quellanteile untersucht und Erdbebenmechanismen unter Berücksichtigung seismischer Anisotropie bestimmt. Es wird gezeigt, dass Momententensoren und Abstrahlmuster von Scherbrüchen in anisotropen Medien denen von tensilen Brüchen in isotropen Medien ähneln können. Umgekehrt treten Ähnlichkeiten tensiler Beben in anisotropen Gesteinen mit Scherbrüchen in isotropen Medien auf. Damit existieren Mehrdeutigkeiten beobachteter tensiler Quellanteile. Die Effekte von Anisotropie hängen von der Orientierung des Bruches und vom Grad der Anisotropie ab. Außerdem beeinflusst Anisotropie das Moment eines Bebens. Herdflächenorientierungen können auch dann verlässlich bestimmt werden, wenn man Isotropie statt Anisotropie annimmt und die Spektren von Kompressionswellen verwendet. Bei Hinzunahme der Spektren von Scherwellen können Uneindeutigkeiten auftreten. Abgeleitete Momententensoren zeigen systematische Artefakte. Beobachtungen tensiler Quellanteile von Beben im Vogtland im Jahr 1997 können nicht allein durch moderate Anisotropie erklärt werden. Weiterhin wurden früher bestimmte Momententensoren induzierter Beben nahe der Kontinentalen Tiefbohrung, Bayern, unter Annahme anisotroper Parameter reinterpretiert. Die Beben werden einheitlich als Scherbrüche charakterisiert, obwohl deren Momententensoren tensile Bestandteile enthalten, die als scheinbar angesehen werden. Die Resultate unterstreichen die Notwendigkeit, seismische Anisotropie zu berücksichtigen, um tensile Komponenten von Erdbeben eindeutig zu bestimmen. Ein daher neu entwickelter Inversionsalgorithmus wurde getestet und erfolgreich auf 112 Erdbeben der letzten intensiven Schwarmepisode im Jahr 2000 im Vogtland an der deutsch-tschechischen Grenze angewandt. Die Herdparameter wurden unter Verwendung isotroper und anisotroper Geschwindigkeitsmodelle ermittelt. Die Beben zeigen Lokalmagnituden zwischen 1,6 und 3,2. Sie weisen zueinander ähnliche Herdflächenlösungen mit linkslateralem Versatz auf steil einfallenden, etwa Nord-Süd orientierten Bruchflächen auf. Die Fallwinkel nehmen oberhalb 8,4km Tiefe ab. Für über 60% der betrachteten Erdbeben werden tensile Quellanteile mit Volumenvergrößerung beobachtet. Die tensilen Komponenten zeigen Abhängigkeiten von Herdzeit und -ort. Sie sind zu Beginn des Schwarms sowie in Tiefen unterhalb 8,4km besonders signifikant und nehmen später an Bedeutung ab. Abgeleitete Hauptspannungsachsen enthalten P Achsen mit nordwestlicher und T Achsen mit südwestlicher Streichrichtung. Sie ähneln denen in Mitteleuropa. Es werden tiefenabhängige Fallwinkel beobachtet. Die Änderungen erfolgen für die P Achsen graduell von 50° hin zu flacheren Fallwinkeln bei tieferen Beben. Sie erfolgen jedoch abrupt für die T Achsen von etwa 8° oberhalb einer Tiefe von etwa 8,4km zu 21° einfallend unterhalb dessen. Mit dieser Arbeit werden erstmals zeitliche und räumliche Veränderungen tensiler Quellanteile und Spannungszustände im Vogtland für Erdbeben im Jahr 2000 beobachtet. Diese haben auch dann Bestand, wenn seismische Anisotropie berücksichtigt wird. Sie können durch Fluide erklärt werden, die in die Bruchflächen eindringen.

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Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d'ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une imantation leur permettant d'exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s'orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d'actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d'actine peut générer les forces à l'origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l'organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l'une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n'est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l'effet d'une force sur la vitesse de polymérisation de l'actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la fois aux aspects théoriques et à la résolution numérique du problème de Mumford-Shah avec anisotropie pour la restauration et la segmentation d'image. Cette fonctionnelle possède en effet la particularité de reconstruire une image dégradée tout en extrayant l'ensemble des contours des régions d'intérêt au sein de l'image. Numériquement, on utilise l'approximation d'Ambrosio-Tortorelli pour approcher un minimiseur de la fonctionnelle de Mumford-Shah. Elle Gamma-converge vers cette dernière et permet elle aussi d'extraire les contours. Les implémentations avec des schémas aux différences finies ou aux éléments finis sont toutefois peu adaptées pour l'optimisation de la fonctionnelle d'Ambrosio-Tortorelli. On présente ainsi deux nouvelles formulations discrètes de la fonctionnelle d'Ambrosio-Tortorelli à l'aide des opérateurs et du formalisme du calcul discret. Ces approches sont utilisées pour la restauration d'images ainsi que pour le lissage du champ de normales et la détection de saillances des surfaces digitales de l'espace. Nous étudions aussi un second problème d'optimisation de forme similaire avec conditions aux bords de Robin. Nous démontrons dans un premier temps l'existence et la régularité partielle des solutions, et dans un second temps deux approximations par Gamma-convergence pour la résolution numérique du problème. L'analyse numérique montre une nouvelle fois les difficultés rencontrées pour la minimisation d'approximations par Gamma-convergence. / In this work, we study both theoretical and numerical aspects of an anisotropic Mumford-Shah problem for image restoration and segmentation. The Mumford-Shah functional allows to both reconstruct a degraded image and extract the contours of the region of interest. Numerically, we use the Amborsio-Tortorelli approximation to approach a minimizer of the Mumford-Shah functional. It Gamma-converges to the Mumford-Shah functional and allows also to extract the contours. However, the minimization of the Ambrosio-Tortorelli functional using standard discretization schemes such as finite differences or finite elements leads to difficulties. We thus present two new discrete formulations of the Ambrosio-Tortorelli functional using the framework of discrete calculus. We use these approaches for image restoration and for the reconstruction of normal vector field and feature extraction on digital data. We finally study another similar shape optimization problem with Robin boundary conditions. We first prove existence and partial regularity of solutions and then construct and demonstrate the Gamma-convergence of two approximations. Numerical analysis shows once again the difficulties dealing with Gamma-convergent approximations.

Dans le cadre de l’étude des phénomènes magnétiques et de la spintronique qui sont présents aux échelles nanoscopiques nous avons étudié différents aspects des structures asymétriques de Pt/Co/AlOx. L’un des objectifs de cette thèse est le contrôle de l’oxydation et des propriétés magnétiques de ces multicouches. Nous avons combiné les mesures de structures (réflexion de Rayon-X), transports (Effet Hall anormal), et magnétiques (VSM-SQUID) afin de déterminer les rôles des effets magnétiques et d’interfaces. Un objectif était d’analyser le rôle de quelques monocouches (MCs) de CoO (qui peut se former lors de la sur oxydation de l’Al) sur les propriétés de la multicouche. Nous avons utilisé une technique de déposition avec un gradient d’épaisseur pour contrôler l’oxydation à l’échelle nanométrique. Nous avons établis que quelques monocouches (MCs) de CoO a un impact sur l’anisotropie de a multicouche. Pour approfondir l’effet de la couche de CoO, nous avons construit des bicouches ultrafines de Co(0.6nm)/CoO(0.6nm). Nous avons effectué des mesures refroidi sur champ sur ce système et trouvé un fort effet de couplage d'échange. Ces résultats indiquent que la couche CoO garde une forte anisotropie même en dans la limite des monocouches et permet de réfuter certains modèles sur l’effet d’échange bias et indique que les couches, couramment négligé, de CoO doivent être prises en considération dans le bilan énergétiques du système. Nous avons construits un appareil de mesure perpendiculaire de la magnétorésistance tunnel anisotrope (TAMR) à partir de la structure Pt/Co/AlOx. La TAMR est un effet de spintronique relativement récent dans lequel la rotation d’aimantation dans une électrode magnétique (combiné avec un couplage spin-orbite) peut entrainer un changement de la probabilité de l’effet tunnel, ce qui se manifeste comme un effet de magnétorésistance. Nous avons démontré qu’un contrôle précis de l’état d’oxydation est essentiel pour l’effet TAMR. La forte anisotropie magnétique induite nous permet d’atteindre des valeurs de TAMR plus grande comparée à celle des structures Pt/Co/AlOx. / In the context of studying magnetic and spintronics phenomena occurring at the nanoscale, we investigated several aspects of Pt/Co/AlOx asymmetric structures. One of the objectives of this thesis was the control of the oxidation and the tailoring of the magnetic properties of these multilayers. We combined structural (X-Ray Reflectivity), transport (Anomalous Hall Effect) and magnetic measurements (VSM-SQUID), to study the interplay of magnetic and interfacial effects. One objective was to analyze the role that few monolayers (MLs) of CoO (which can form when overoxidizing the Al layer), could have on the properties of the stack. We used a wedge deposition techniques to control the oxidation on a subnanometer scale. We established that few MLs of CoO largely affect the total anisotropy of the stack. To further investigate the impact of the CoO, we engineered ultrathin Co(0.6nm)/CoO(0.6nm) bilayers. We performed field cooled measurements on this system and we found a large exchange bias anisotropy. These results indicate that the CoO keeps a large anisotropy even in the ML regime, help to rule out some of the models proposed to explain the exchange bias effect and imply that the usually neglected CoO presence must be considered in the energy balance of the system. We build perpendicular Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) devices based on the Pt/Co/AlOx structure. The TAMR is a relatively new spintronics effect in which the rotation of the magnetization in a single magnetic electrode (combined with the Spin-Orbit Coupling) can cause a change of the tunnel probability, which manifests as a magnetoresistance effect. We demonstrated that a careful control of the interface oxidation is crucial for the TAMR effect. The large induced magnetic anisotropy allowed us to achieve enhanced TAMR values compared to similar Pt/Co/AlOx structures.