The study of the nucleon structure has been a major research focus in fundamental physics in the past decades and still is the main research line of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). For this purpose and to obtain statistically meaningful results, a highly efficient polarized target is essential. This means high polarization and high relative density of polarized material. This dissertation presents the principles and usage procedures of a Hydrogen Deuteride (HD) target that presents both such characteristics. Although the HD target has been shown to work successfully under a high intensity photon beam, it remained to be seen if the target could stand an electron beam of reasonably high current (nA). In this perspective, the HD target was tested for the first time in its "frozen spin" mode under an electron beam during the g14 experiment in the Jefferson Lab's Hall B in 2012. Two methods of polarimetry are also discussed in this dissertation : one with Nuclear Magnetic Resonance of this HD target during the electron beam tests, and another with the elastic scattering of electrons off a polarized target by using data taken on helium-3 during the E97-110 experiment that occurred in Jefferson Lab's Hall A in 2003.

La réponse biologique d'un matériau est essentiellement reliée à sa surface : cela souligne l'importance du rôle des techniques de modification de surface dans la réalisation d'une réponse biologique adaptée. Ainsi les surfaces fonctionnalisées par des 'hydrogels' minces possèdent un énorme potentiel dans diverses applications. En effet, les hydrogels sensibles au pH et à la température peuvent être utilisés dans le but de libérer de façon contrôlée une molécule dans l'environnement biologique. Ces hydrogels peuvent aussi être utilisés en tant que biocapteur de par leurs fonctions disponibles permettant la reconnaissance spécifique de biomolécules cibles. Différents procédés, choisis principalement en fonction du type de matériau et de la surface à fonctionnaliser, peuvent être utilisés pour l'obtention de ce genre de films. Parmi ces procédés, le choix s'est tourné vers l'utilisation de la polymérisation par plasma dont les propriétés de surfaces peuvent être ajustées en fonction des paramètres de la décharge tel que la puissance électrique, le temps de traitement, la composition et la pression du gaz.

Les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (BPCO) constituent un groupe de maladies des poumons caractérisées par le blocage du passage de l'air, rendant la respiration de plus en plus difficile. L'emphysème et la bronchite chronique sont les deux principales affections parmi les BPCO, mais les BPCO peuvent également être provoquées par les dégâts causés par des bronchites chroniques asthmatiques. L'emphysème pulmonaire est une maladie pulmonaire caractérisée par l'élargissement des espaces aériens distaux en amont des bronchioles terminales non respiratoires, accompagné de la destruction des parois alvéolaires. Ces modifications du parenchyme pulmonaire sont pathognomoniques de l'emphysème. La bronchite chronique est une forme de bronchite caractérisée par une production excessive d'expectoration, entraînant l'apparition d'une toux chronique et l'obstruction des voies respiratoires. Dans toutes ces affections, les dégâts causés aux voies respiratoires finissent par affecter les échanges gazeux dans les poumons. L'emphysème est généralement diagnostiqué de façon indirecte, sur la base d'un examen clinique, d'explorations de la fonction respiratoire (EFR), et d'une évaluation visuelle subjective des scanners des tomodensitogrammes. Ces tests présentent une valeur limitée dans les cas d'emphysème léger ou modéré. La présente étude aborde la possibilité d'appliquer une démarche d'analyse non linéaire à la répartition de la densité de l'air au sein de l'arbre des voies respiratoires des poumons à un quelconque niveau des ramifications. Les images sources de tomodensitométrie (TDM) du poumon sont traitées en deux phases, afin de produire un coefficient fractal de répartition de la densité de l'air. Au cours de la première phase, les valeurs brutes de pixel des images sources correspondant à toutes les densités d'air possibles sont traitées par un outil logiciel, mis au point pour construire une image cible. On y parvient par suppression en cascade des éléments indésirables (SCEI) : une étape de prétraitement dans l'analyse de l'image source. Celle-ci permet d'identifier les valeurs de densité d'air au sein de l'arbre des voies respiratoires, tout en éliminant toutes les valeurs non relatives à la densité de l'air. La seconde phase consiste en une réduction itérative de la résolution (RIR). Chaque réduction de la résolution produit un nouvel histogramme. Chaque histogramme ainsi produit comporte un certain nombre de pics, chacun d'entre eux correspondant à un ensemble de densités d'air. La courbe mettant en relation chaque réduction de la résolution avec le nombre de pics correspondant, obtenus à la résolution concernée, est tracée. Ceci permet de calculer la dimension fractale par une régression linéaire sur un graphique log - log.

This thesis is a critical examination of phenomenological nuclear mean field theories, focusing on reliable description of levels of individual particles. The approach presented here is new in the sense that it not only allows to predict the numerical values obtained with this formalism, but also yields an estimate of the probability distributions corresponding to the experimental results. We introduce the concept of 'theoretical errors' to estimate uncertainties in theoreticalmodels. We also introduce a subjective notion of 'Predictive Power' of nuclear Hamiltonians, which is analyzed in the context of the energy spectra of individual particles. The mathematical concept of 'Inverse Problem' is applied to a realistic mean-field Hamiltonian. This technique allows to predict the properties of a system from a limited number of data. To deepen our understanding of Inverse Problems, we focus on a simple mathematical problem. A function dependent on four free parameters is introduced in order to reproduce 'experimental' data. We study the behavior of the 'fitted' parameters, their correlation and the associated errors. This study helps us understand the importance of the correct formulation of the problem. It also shows the importance of including theoretical and experimental errors in the solution.

The mechanism of enzyme regulation through conformational changes is a key pattern in governing cell behavior. In this thesis the focus is on three protein complexes that reflect how protein activity can be regulated by different effectors. Different spectroscopic techniques, like IR and Raman spectroscopy, were used is order to follow the secondary and tertiary conformational changes in protein structure to identify their roles. The first protein of interest was PDZ1 from MAGI-1, involved in cellular signaling. This scaffold domain is known to interact with the E6 protein from HPV16. It was demonstrated that the different conformational states and their affinities to the C-terminus of the viral protein is regulated by the dynamics of the hydrogen bonding network formed by the connection of specific amino acids in three regions of the protein. Study of mutations around the C-terminal area of the protein and the βC strand were performed; demonstrating that both regions are crucial for assembly of the hydrogen bonding network to stabilize the substrate binding. These results leads to conclude that the pathogenicity and prevalence of a particular virus like HPV16 is in its ability to build a stronger hydrogen bonding network in comparison to the natural binder. The allosteric model and the "shift population" model agree that, upon binding, conformational changes distant from a carboxylate binding group might be the key to understanding the binding dynamics between the PDZ domains and the viral proteins.The second protein of interest was a model that constitutes a small scale prototype of the conformational changes observed in more complex proteins; it is a short Copper-binding peptide, the amyloid-beta peptide, known to beinvolved in Alzheimer's disease. The objective with this model was to describe the effect of histidine ligands in the metal centers upon Copper (Cu) reduction, a key electrochemical reaction in the development of Alzheimer's. FTIR difference spectroscopy showed two different spheres of coordination for Cu(II) and Cu(I). The major changes in the structure are dominated by the contribution of the imidazole ring of His residues (His6, His13 and His14), in addition to Asp1 and Tyr10 residues. Changes in the coordination geometry could be key to the pH-dependency of the aggregation observed in the presence of Cu(I). Accordingly, it can be suggested that the formation of the fibrils observed in Alzheimer's patients is not only triggered by the presence of Cu but it is strongly affected by its redox state. The last system of interest was a metalloprotein, the NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I), which plays a key role in the cellular bioenergetics. This protein bears several Fe-S clusters and one flavin and its activity is regulated by the energy produced by a bound substrate and the electron transfer of its cofactors. The metal ligand-vibrations of the cofactors are described in their oxidized and reduced states. Using electrochemistry coupled to FTIR, Resonance Raman and Fluorescence spectroscopies, the investigation of complex I led to the conclusion that the properties of the metal centers are dictated, to a large extent, by their surrounding environment. [...]

Du fait de leurs nombreuses applications, notamment dans le domaine biomédical, beaucoup d'études actuelles visent à la compréhension et à l'amélioration des propriétés magnétiques de nanoparticules d'oxyde de fer de structure spinelle. En effet, le fort rapport surface/volume, inhérent à la réduction en taille dans le domaine du nanomètre, et la présence de défauts cristallins ont une influence déterminante sur les propriétés magnétiques des particules. Ceci s'explique notamment par la présence de spins en situation de couplage faible, désalignés, qui sont responsables d'une réduction de l'aimantation à saturation. Lors de cette thèse, une stratégie de " recuit protégé " de nanoparticules de maghémite et de ferrite de cobalt a été mise en œuvre afin d'améliorer leur cristallinité et/ou de changer leur composition locale et ce sans grossissement ni agglomération des grains. Une matrice de silice produite par voie sol-gel a été retenue car elle est diamagnétique mais également réfractaire et inerte. Le recuit à haute température des composites a tout d'abord permis d'étudier l'impact de différents défauts structuraux sur les propriétés magnétiques. Il a ainsi été montré que pour des nanoparticules de maghémite, la mise en ordre des lacunes de fer et les changements d'état de surface liés à la déshydroxylation des particules avaient des effets antagonistes. Le premier effet, prédominant pour des particules de 14 nm, tend à augmenter la valeur de l'aimantation, alors que le second, prépondérant pour les particules de 7 nm, induit une propagation de la couche de spins désalignés de surface et donc une diminution de l'aimantation. Dans le cas du ferrite de cobalt, un autre paramètre, la répartition cationique pourrait avoir un impact sur le désalignement des spins. Un recuit à 800°C n'a cependant pas permis une forte augmentation du taux d'inversion, probablement du fait du caractère réfractaire de CoFe2O4. Cette même stratégie de recuit protégé a également permis de moduler les propriétés magnétiques de particules de maghémite par dopage avec des ions Co2+. Une augmentation progressive de la constante d'anisotropie, jusqu'à un facteur 3,5, a ainsi été observée du fait de la diffusion des ions Co2+ dans la structure spinelle.

Cette thèse se propose d'étudier les procédés de dopage et de recuit laser comme outils permettant la réalisation de cellules photovoltaïques au silicium cristallin. Des émetteurs dopés ou recuits par laser sont tout d'abord réalisés à l'aide de trois lasers et de différentes sources dopantes. Les lasers utilisés sont un laser vert nanoseconde, un laser excimère et un laser ultraviolet à haute cadence. Comme sources dopantes nous avons utilisé le verre de phosphore, des couches de nitrures de silicium dopées au bore ou au phosphore, ou encore des implantations ioniques de bore ou de phosphore. Des dopages très efficaces sont obtenus avec chaque couple laser/source dopante. En particulier, de faibles valeurs de résistances carrées et de densités de courant de saturation sont obtenues. Ces procédés laser sont ensuite appliqués à la réalisation de cellules à émetteur sélectif et à champ arrière au bore. Les cellules à émetteur sélectif dopé par laser (en utilisant le verre de phosphore comme source dopante) atteignent un rendement de 18,3 %, ce qui représente un gain total de 0,6 %abs comparé aux cellules standard à émetteur homogène. Les cellules à champ arrière au bore recuit par laser (à partir d'une implantation ionique de bore) montrent quant à elles un gain de 0,3 %abs par rapport aux cellules à champ arrière à l'aluminium, offrant ainsi un rendement de 16,7 %.

Ce travail présente la caractérisation des propriétés d'absorption de lumière par des nanofils uniques (NF) de silicium en utilisant la spectroscopie de photocourant, ainsi qu'une étude préliminaire des processus d'incorporation des dopants et de réalisation de jonction dans les NFs. Tout d'abord, nous commençons par décrire les méthodes de croissance utilisées pour synthétiser des NFs actifs pour la génération de photocourant, avec l'utilisation du chlorure d'hydrogène dans les procédés classiques de croissance CVD catalysée or de fils dopés. Cette méthode offre des structures très faiblement coniques, élargit les températures de procédé, permettant en particulier d'incorporer très efficacement le bore, avec des densités d'accepteurs ionisés allant jusqu'à 1.8E19 cm-3, tout en inhibant la diffusion d'or depuis le catalyseur. L'attention est ensuite portée à la fabrication de jonctions, l'étude de ses caractéristiques électriques, ainsi que sur l'influence de paramètres morphologiques (rayon, position axiale) du fil sur sa résistivité apparente. Dans une seconde partie, nous étudions la réponse en photocourant d'un jeu de NFs actifs de différents diamètres et corrélons nos résultats à un traitement analytique de l'absorption des photons à l'échelle du nanoobjet dans le cadre de la théorie de Mie adaptée au cas cylindrique. L'accord expérience-théorie est très bon pour les deux polarisations (TE-TM). Des résonances dans le spectre d'absorption sont mises en évidence, correspondant à l'excitation de modes propres du fil, et associées à des sections efficaces d'absorption pouvant être supérieures à l'unité. Dans une dernière partie, nous adaptons la stratégie de dépôt antireflet utilisée dans les cellules solaires pour améliorer le couplage de la lumière incidente aux NFs. Pour cela, des dépôts de SiO2 et Si3N4 sont réalisés sur des NFs via la technique de PECVD, nous fournissant par là-même un jeu de structures pourvues d'un dépôt de diélectrique à haute conformité. Se basant sur les spectres d'absorption ainsi acquis, nous obtenons les gains relatifs d'absorption induits par le dépôt de diélectrique et les comparons aux calculs analytiques développés spécifiquement pour obtenir l'absorption dans le cœur seulement du cylindre coaxial, ceci nous permettant également d'estimer la partie du rayonnement incident absorbé dans la coquille diélectrique.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nanoélectronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fi…ne de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie : l'état excitonique fondamental noir, et l'état excitonique brillant situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identi…er un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes.

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.