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La photonique sur silicium constitue une plateforme idéale pour transmettre et distribuer des signaux optiques au sein d'une puce et sur de longues distances sans pertes excessives. L'intégration de semiconducteurs III-V sur des circuits photonique en silicium est un projet excitant mais ambitieux, que nous avons mené en combinant le meilleur de l'optoélectronique des semiconducteurs III-V et des technologies photonique en siliicium-sur-isolant (SOI en anglais). Afin de pouvoir remplacer les interconnexions metalliques existantes par des interconnexion optiques, nous nous sommes efforcés d'utiliser les objets ayant les dimensions les plus petites et consommant les plus petites énergies comme peuvent l'être les nanocavités en Cristaux Photoniques incorporant des matériaux actifs en III-V. Cette thèse visait à conceptualiser, fabriquer et étudier expérimentalement des structures hybrides III-V/circuit photonique SOI, où une couche de III-V, reportée par collage adhésif à quelques centaines de nm du silicium, est gravée en une cavité optique de type cristal photonique " nanobeam " et résonante autour de 1.5 μm. Les principaux résultats de ce travail sont les démonstration 1) d'une efficacité de couplage entre la cavité et le guide d'onde SOI facilement ajustable, pouvant excéder 90% lorsque les conditions d'accord de phase sont remplies, 2) de l'émission laser en régime continue avec des puits quantiques via la passivation des surfaces, et 3) d'une mémoire optique de durée supérieure à 2s avec des énergies de commutations ultrafaibles (~0.4 fJ). Nous présentons aussi un modèle pour fabriquer des cavités " nanobeam " de facteurs Q très élevés, encapsulées dans un matériau bas indice.

In this thesis, I investigate dynamic and computational properties of prokaryotic signalling architectures commonly known as the Two Component Signalling networks and phosphorelays. The aim of this study is to understand the information processing capabilities of different prokaryotic signalling architectures by examining the dynamics they exhibit. I present original investigations into the dynamics of different phosphorelay architectures and identify network architectures that include a commonly found four step phosphorelay architecture with a capacity for tuning its steady state output to implement different signal-response behaviours viz. sigmoidal and hyperbolic response. Biologically, this tuning can be implemented through physiological processes like regulating total protein concentrations (e.g. via transcriptional regulation or feedback), altering reaction rate constants through binding of auxiliary proteins on relay components, or by regulating bi-functional activity in relays which are mediated by bifunctional histidine kinases. This study explores the importance of different biochemical arrangements of signalling networks and their corresponding response dynamics. Following investigations into the significance of various biochemical reactions and topological variants of a four step relay architecture, I explore the effects of having different types of proteins in signalling networks. I show how multi-domain proteins in a phosphorelay architecture with multiple phosphotransfer steps occurring on the same protein can exhibit multistability through a combination of double negative and positive feedback loops. I derive a minimal multistable (core) architecture and show how component sharing amongst networks containing this multistable core can implement computational logic (like AND, OR and ADDER functions) that allows cells to integrate multiple inputs and compute an appropriate response. I examine the genomic distribution of single and multi domain kinases and annotate their partner response regulator proteins across prokaryotic genomes to find the biological significance of dynamics that these networks embed and the processes they regulate in a cell. I extract data from a prokaryotic two component protein database and take a sequence based functional annotation approach to identify the process, function and localisation of different response regulators as signalling partners in these networks. In summary, work presented in this thesis explores the dynamic and computational properties of different prokaryotic signalling networks and uses them to draw an insight into the biological significance of multidomain sensor kinases in living cells. The thesis concludes with a discussion on how this understanding of the dynamic and computational properties of prokaryotic signalling networks can be used to design synthetic circuits involving different proteins comprising two component and phosphorelay architectures.

Avec l’évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d’intégration et d’utilisation à moindre cout énergétique, l’étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d’objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d’approfondir nos connaissances de l’interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d’expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d’étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l’interaction lumière-matière au sein d’objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilise. La seconde partie est dédiée à l’étude de l’interaction d’une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l’étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l’obtention d’un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L’étude complète des modes propres et de l’excitation optique de cette structure a permis de connaitre avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l’étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l’analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter. / Within the quick nano-fabrication techniques evolution and the increasing needs in low space and energy opto-electronic functions on-chip integration, studies and control of electromagnetic resonances of sub-micrometric objects are crucial issues. One aim of this work was then to improve our knowledge of the light-matter interaction. To this end, optical near-field experiments and complementary numerical development of models have been performed to study electromagnetic resonances due to light-matter interaction in sub-micrometric resonators. As an introduction, the first part of the manuscript presents the main phenomena involved in near-field optical microscopy and the used SNOM operation. The second part is dedicated to nearfield tip/Fabry-Perot micro-resonator interaction in the non-linear regime. In this part, we first present the study of high-Q/small volume Silicon nano-cavity non-linearities, showing possible bistable operation at very low incident power. We then demonstrate the cavity stability modulation obtain with the near-field tip. In the third part of the manuscript, we consider thin metallic film resonances. As a beginning, we realize an exhaustive study of the film eigenmodes and then discuss the resonant optical excitation of the film as well as precise determination of Brewster angle. These theoretical studies have been extended experimentally with the optical near-field determination of the resonant modes of semi-infinite thin films. For the different studies, experimental measures have been systematically associated with theoretical analyses and numerical developments of models, which have then been confirmed or discussed in light of the experimental results.

V současnosti jsme svědky stále zvyšujících se nároku na rychlost přenosu a zpracování signálu a kapacitu pamet’ových zařízení. Proto se pozornost výzkumných pracovníku zaměřuje k plně optickým zařízením, která by mohla splnit zmíněné požadavky. Jednou z intenzívně zkoumaných možností je využití mikroprstencových optických rezonátoru. Při výzkumu je nutné využít numerických metod, které simulují šíření optického záření v dané struktuře. K tomuto účelu existuje celá rada metod, které se liší v efektivitě výpočtu, použitých aproximacích, i možnostech použití. Cílem této práce bylo vyvinout dvě jednoduché a praktické numerické metody pro modelování šíření pulzního záření v nelineárních vlnovodných strukturách. Přítom bylo požadováno, aby, na rozdíl od obecně známé a často využívané metody konečných diferencí v časové oblasti (FD-TD), bylo možné metody snadno aplikovat při studiu nelineárních struktur založených na mikroprstencových rezonátorech. Proto vyvinuté metody používají některé aproximace, zejména aproximaci pomalu proměnné obálky. Výhodou metod je vysoká rychlost a skromné požadavky na výpočetní zdroje. Obě metody vycházejí ze zkutečnosti, že naprostá většina nelineárních struktur založených na mikroprstencových rezonátorech se skládá ze dvou základních prvku: obyčejných vlnovodu a vlnovodných vazebních clenu. První metoda řeší vázané parciální diferenciální rovnice, které popisují šíření obálky pulzu ve struktuře. Přitom je použito tzv. „up-wind“ schéma vhodné pro parciální diferenciální rovnice popisující šíření vln. Druhá metoda vychází z první; rozdíl je v popisu vazby mezi dvěma vlnovody. Pokud se v první metodě uvažuje realistická vazba rozložená na určité délce, pak druhá metoda je založena na představě vazby nacházející se v jednom místě. Díky tomu je možné integrovat příslušné rovnice a dosáhnout výrazného urychlení výpočtu. Kvazianalytický charakter druhé metody umožňuje dále snadnou klasifikaci různých typu ustálených řešení. Vzhledem k těmto vlastnostem byla druhá metoda využita k výzkumu samovolné generace optických pulzu ve strukturách skládajících se z vázaných prstencových rezonátoru. Obě metody, které byly vyvinuty během této práce, představují rychlé a fyzikálně názorné alternativy k metodě FD-TD, a tak lze očekávat, že mohou hrát důležitou roli při výzkumu nelineárních vlnovodných struktur.

Neuronen sind bei der Informationsübertragung des zentralen Nervensystems von entscheidender Bedeutung. Ihre Aktivität liegt der Signalverarbeitung und höheren kognitiven Prozessen zugrunde. Neuronen sind in den extrazellulären Raum eingebettet, der mehrere Teilchen, darunter auch Ionen, enthält. Ionenkonzentrationen sind nicht statisch. Intensive neuronale Aktivität kann intrazelluläre und extrazelluläre Ionenkonzentrationen verändern. In dieser Arbeit untersuche ich das Wechselspiel zwischen neuronaler Aktivität und der Dynamik der Ionenkonzentrationen. Dabei konzentriere ich mich hauptsächlich auf extrazelluläre Kalium- und intrazelluläre Natriumkonzentrationen. Mit Hilfe der Theorie dynamischer Systeme zeige ich, wie moderate Änderungen dieser Ionenkonzentrationen die neuronale Aktivität qualitativ verändern können, wodurch sich möglicherweise die Signalverarbeitung verändert. Dann modelliere ich ein leitfähigkeitsbasiertes neuronales Netzwerk mit Spikes. Das Modell sagt voraus, dass eine moderate Änderung der Konzentrationen, die einen Mikroschaltkreis von Neuronen umgeben, die Leistungsspektraldichte der Populationsaktivität verändern könnte. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Dynamik der Ionenkonzentrationen für das Verständnis neuronaler Aktivität auf langen Zeitskalen und liefert technische Erkenntnisse darüber, wie das Zusammenspiel zwischen ihnen modelliert und analysiert werden kann. / Neurons are essential in the information transfer mechanisms of the central nervous system. Their activity underlies both basic signal processing, and higher cognitive processes. Neurons are embedded in the extracellular space, which contains multiple particles, including ions which are vital to their functioning. Ionic concentrations are not static, intense neuronal activity alters the intracellular and extracellular ionic concentrations which in turn affect neuronal functioning. In this thesis, I study the interplay between neuronal activity and ionic concentration dynamics. I focus specifically on the extracellular potassium and intracellular sodium concentrations. Using dynamical systems theory, I illustrate how moderate changes in these ionic concentrations can qualitatively change neuronal activity, potentially altering signal processing. I then model a conductance-based spiking neural network. The model predicts that a moderate change in the concentrations surrounding a microcircuit of neurons could modify the power spectral density of the population activity. Altogether, this work highlights the need to consider ionic concentration dynamics to understand neuronal activity on long time scales and provides technical insights on how to model and analyze the interplay between them.

Die elektrische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf deren erregbarer Zellmembran. Üblicherweise wird angenommen, dass die in der Membran eingebetteten leitfähigen Ionenkanäle nicht auf direkte Art gekoppelt sind und dass die Kapazität des von der Membran gebildeten Kondensators konstant ist. Allerdings scheinen diese Annahmen nicht für alle Nervenzellen zu gelten. Im Gegenteil, verschiedene Ionenkanäle “kooperieren” und auch die Vorstellung von einer konstanten spezifischen Membrankapazität wurde kürzlich in Frage gestellt. Die Auswirkungen dieser Abweichungen auf die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen ist das Thema der folgenden kumulativen Dissertationsschrift. Im ersten Projekt wird gezeigt, auf welche Weise stark kooperative spannungsabhängige Ionenkanäle eine Form von zellulärem Kurzzeitspeicher für elektrische Aktivität bilden könnten. Solche kooperativen Kanäle treten in der Membran häufig in kleinen räumlich getrennte Clustern auf. Basierend auf einem mathematischen Modell wird nachgewiesen, dass solche Kanalcluster als eine bistabile Leitfähigkeit agieren. Die dadurch entstehende große Speicherkapazität eines Ensembles dieser Kanalcluster könnte von Nervenzellen für stufenloses persistentes Feuern genutzt werden -- ein Feuerverhalten von Nutzen für das Kurzzeichgedächtnis. Im zweiten Projekt wird ein neues Dynamic Clamp Protokoll entwickelt, der Capacitance Clamp, das erlaubt, Änderungen der Membrankapazität in biologischen Nervenzellen zu emulieren. Eine solche experimentelle Möglichkeit, um systematisch die Rolle der Kapazität zu untersuchen, gab es bisher nicht. Nach einer Reihe von Tests in Simulationen und Experimenten wurde die Technik mit Körnerzellen des *Gyrus dentatus* genutzt, um den Einfluss von Kapazität auf deren Feuerverhalten zu studieren. Die Kombination beider Projekte zeigt die Relevanz dieser oft vernachlässigten Facetten von neuronalen Membranen für die Signalverarbeitung in Nervenzellen. / Electrical signaling in neurons is shaped by their specialized excitable cell membranes. Commonly, it is assumed that the ion channels embedded in the membrane gate independently and that the electrical capacitance of neurons is constant. However, not all excitable membranes appear to adhere to these assumptions. On the contrary, ion channels are observed to gate cooperatively in several circumstances and also the notion of one fixed value for the specific membrane capacitance (per unit area) across neuronal membranes has been challenged recently. How these deviations from the original form of conductance-based neuron models affect their electrical properties has not been extensively explored and is the focus of this cumulative thesis. In the first project, strongly cooperative voltage-gated ion channels are proposed to provide a membrane potential-based mechanism for cellular short-term memory. Based on a mathematical model of cooperative gating, it is shown that coupled channels assembled into small clusters act as an ensemble of bistable conductances. The correspondingly large memory capacity of such an ensemble yields an alternative explanation for graded forms of cell-autonomous persistent firing – an observed firing mode implicated in working memory. In the second project, a novel dynamic clamp protocol -- the capacitance clamp -- is developed to artificially modify capacitance in biological neurons. Experimental means to systematically investigate capacitance, a basic parameter shared by all excitable cells, had previously been missing. The technique, thoroughly tested in simulations and experiments, is used to monitor how capacitance affects temporal integration and energetic costs of spiking in dentate gyrus granule cells. Combined, the projects identify computationally relevant consequences of these often neglected facets of neuronal membranes and extend the modeling and experimental techniques to further study them.

<p dir="ltr">Origami has emerged as a design paradigm to realize morphing structures with rich kinematic and mechanical properties. Biological examples augment the potential folding design space by suggesting intriguing routes for achieving and expanding crease patterns which traditional origami laws are unable to capture. Specifically, spring origami theory exploits the material system architecture and energy storage mechanism of the earwig wing featuring one of the highest folding ratios in the animal kingdom (1:18), minimal energy required for deployment and collapse of the wing, and bistability locking the wing in closed, and open configurations for crawling through tunnels, and flight, respectively. The central mechanism responsible for bistability in the wing features a non-developable crease pattern with a non-zero Gaussian curvature. Reconfiguring, or even flattening a structure with such an intrinsic property requires stretching or tearing; soft, rubbery material found in the creases of the central mechanism allows for stretching enabling shape transformations between open and closed states without tearing. In the first part of this thesis, such characteristics are transferred to a synthetic bistable soft robotic gripper leveraging the shape adaptability and conformability exhibited by the biological organism to minimize actuation energy. This is achieved by integrating soft, flexible material in the bioinspired gripper that allows kinematically driven geometries to grasp and manipulate objects without continuous actuation. Secondly, the stiffening effect from spring origami is utilized in a bioinspired wing for an aerial--aquatic robot. Transitions between air and sea in multimodal robots is challenging, however, a structurally efficient and multifunctional membrane is developed to increase locomotive capabilities and longer flights. This is motivated by the flying fish's locomotive modules and origami design principles for deployment and folding. Additionally, to keep the wing in a stiff state while gliding, spring origami bistable units are integrated into the membrane inducing self-stiffening and a global curvature reducing energy expenditure while generating lift. While the previous examples present solutions to adaptive manipulation and membrane multifunctionality, once programmed, their shapes are fixed. In the third application, a class of multistable self-folding origami architectures that are reprogrammable post fabrication are presented. This is achieved by encoding prestrain in bilayer creases with anisotropic shrinkage that change shape and induce a local curvature in the creases in response to external stimuli. The topology of the energy landscapes can thus be tuned as a function of the stimulation time and adaptable post fabrication. The proposed method and model allows for converting flat sheets with arranged facets and prestrained mountain-valley creases into self-folding multistable structures. Lasty, encoding crease prestrain is leveraged to manufacture a biomimetic earwig wing featuring the complex crease pattern, structural stability, and rapid closure of the biological counterpart. The presented method provides a route for encoding prestrain in self-folding origami, the multistability of which is adaptable after fabrication.</p>

X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) ist der Mechanismus, den Säuger zur Dosiskompensierung zwischen weiblichen und männlichen Zellen verwenden. XCI wird ausgelöst durch die monoallelische Hochregulation der langen nicht-kodierenden RNA Xist von einem der zwei X-Chromosomen in weiblichen Zellen. Die Xist RNA vermittelt dann das Ausschalten der Gene auf diesem X-Chromosom. Das wirft einige interessante Fragen auf: Wie zählen Zellen ihre X-Chromosomen und stellen sicher, dass genau eines aktiv bleibt? Wie entscheiden sie, welches X-Chromosom aktiv bleibt und welches ausgeschaltet wird? Und wie erinnern sie sich an diese Entscheidung und behalten sie stabil bei durch alle weiteren Zellteilungen? Mithilfe eines stochastischen Modells zeigen wir, dass diese XCI Regulation prinzipiell durch nur zwei Regulatoren erklärt werden kann: Ein global (in trans) agierender XCI Aktivator und ein lokal (in cis) agierender XCI Repressor. Dieses Netzwerk aus nur zwei Regulatoren kann die Xist Expressionsmuster in verschiedenen Säugerspezies reproduzieren, von der Maus bis zum Mensch. Es sagt außerdem voraus, dass Zellen in der Lage sind, biallelische zu monoallelischer Xist Expression zu korrigieren, eine Vorhersage, für die wir tatsächlich experimentelle Belege finden. Mit einem mechanistischen Modell zeigen wir, dass das cis-Gedächtnis über den Xist Expressionszustand durch Antisense-Transkription zustande kommen könnte. Auf dieser Hypothese aufbauend untersucht der zweite Teil der Arbeit das Potential von Antisense-Transkription, ein lokales Gedächtnis über den Expressionszustand eines Gens zu generieren, genauer. Diese Analyse sagt vorher, dass Antisense-Repression den Expressionszustand eines Lokus tatsächlich für einige Tage stabil erhalten kann. / X-chromosome inactivation (XCI) is the mechanism for dosage compensation between the sexes in mammals. It is initiated through monoallelic upregulation of the long non-coding RNA Xist from one X chromosome, which mediates almost complete transcriptional silencing of this X chromosome. XCI regulation raises intriguing and thus far unanswered questions: How do cells count their X chromosomes and ensure that exactly one stays active? How do they make a mutually exclusive choice for one inactive X chromosome, and how do they then stably maintain this choice throughout subsequent cell divisions? Using stochastic modeling, we show that XCI onset only requires two regulators: A trans-acting Xist activator that ensures female specificity and a cis-acting Xist repressor that allows stable maintenance of alternative Xist expression states. This two-regulator network can recapitulate Xist expression patterns across different species and makes a novel prediction that is validated experimentally: Cells are able to revert biallelic Xist expression to monoallelic expression. With a mechanistic stochastic model we show that Xist's antisense transcript Tsix might be the cis-acting Xist repressor, uncovering the molecular mechanism behind the stabilization of the alternative Xist expression states. Building upon Tsix' possible functional role in stabilizing alternative Xist expression states on the active and inactive X chromosome, the second part of this thesis investigates the potential of antisense transcription to maintain a transient transcriptional memory. We find that mutual repression between a pair of antisense genes can allow the locus to remember the transcription state it has acquired due to a past signal for several days.

Over the last two decades, great progress has been made in the understanding of multiferroic materials, ones where multiple long-range orders simultaneously exist. However, much of the research has focused on bulk systems. If these materials are to be incorporated into devices, they would not be in bulk form, but would be miniaturized, such as in nanoparticle form. Accordingly, a better understanding of multiferroic nanoparticles is necessary. This manuscript examines the multiferroic phase diagram of multiferroic nanoparticles related to system size and surface-induced magnetic anisotropy. There is a particular focus on bismuth ferrite, the room-temperature antiferromagnetic-ferroelectric multiferroic. Theoretical results will be presented which show that at certain sizes, a bistability develops in the cycloidal wavevector. This implies bistability in the ferroelectric and magnetic moments of the nanoparticles. This novel magnetoelectric bistability may be of use in the creation of an electrically-written, magnetically-read memory element. / Graduate