Les gaz atomiques dégénérés représentent des systèmes modèles pour étudier la superfluidité. Ils offrent la possibilité d'explorer la physique en dimensions restreintes, profondémentdifférente par rapport au cas tridimensionnel. Nous disposons d'un gaz de Bose bidimensionnel dégénéré confiné dans un potentiel très anisotrope et dont on peut changer la géométrie dynamiquement. Une déformation contrôlée du piège permet d'exciter les modes collectifs du gaz. Nous avons fait d'abord une analyse en composantes principales du gaz, et nous avons montré que ces dernières coïncident avec les modes de Bogoliubov. Nous avons ensuite effectué une étude détaillée du mode ciseaux, dont nous nous servons pour sonder le caractère superfluide du gaz, en développant une nouvelle technique d'analyse, appelée "analyse de la moyenne locale". Enfin nous avons réalisé un piège en anneau, obtenu à l'intersection d'un piège en forme de bulle et du potentiel optique d'un faisceau qui présente un noeud d'intensité au centre, la "double nappe", et nous proposons différentes protocoles de mise en rotation des atomes dans l'anneau. / Degenerate atomic gases can be a versatile tool to study superfluidity. They also offer the possibility to explore the low-dimensions physics, which is deeply different from the three dimensional case. We prepare a degenerate Bose gas in a very anisotropic trap, dynamically adjustable. A controlled deformation of the trapping potential can excite the collective modes of the trapped cloud. First we perform a « principal components analysis » of the gas and we show that the principal components coincide with the Bogoliubov modes. We then restrain our analysis on the scissors mode, which we use to probe superfluidity of the sample, by introducing a new analysis technique, called « local average analysis ». Finally I will report on the realization of a ring trap, obtained by superposing a double sheet light beam to a bubble trap, and describe the different possibilities we planned to set atoms into rotation.

Le ribosome est un organite essentiel de la cellule qui assure la synthèse des protéines. C'est une structure très conservée, composée d'ARN et de protéines ribosomiques organisés en deux sous-unités. Les expériences de reconstitution in vitro du ribosome d'E. coli ont montré que l'assemblage est un processus coordonné impliquant de nombreuses interactions entre les différents constituants. En particulier, les premières étapes de l'assemblage de la grande sous-unité dépendent fortement de la fixation coopérative de cinq protéines ribosomiques à l'ARN 23S, mais les mécanismes moléculaires sous-jacents sont mal connus.Cette étude à l'échelle de la molécule unique vise à préciser ces mécanismes et porte sur un fragment constitué des hélices H18, H19 et H20 du domaine I de l'ARN ribosomique 23S contenant les sites de fixation des protéines uL24 et uL4. Ce fragment d'ARN a été préparé dans une configuration qui permet la mesure de force via un double piège optique. Les courbes de force obtenues ont permis de dresser une cartographie de la stabilité des structures du fragment d'ARN.Ces cartes ont été comparées en absence et en présence des protéines ribosomiques uL24 et/ou uL4, démontrant ainsi que le fragment d'ARN est stabilisé par la fixation des protéines uL24 et/ou uL4. Leur fixation est coopérative et la présence conjointe des deux protéines sur-stabilise les structures du fragment d'ARN.Ces résultats sont discutés dans la perspective de préciser le rôle du fragment d'ARN et des protéines ribosomiques uL24 et uL4 dans l'assemblage de la grande sous-unité du ribosome. / Ribosomes are essential organelles of the cell responsible for the synthesis of proteins. Their well conserved structure made of RNA and proteins is organized into two subunits. In vitro reconstitution of E. coli ribosomes showed that their assembly is a coordinated process which involves many interactions between the components. More specifically, the early stages of the large subunit assembly depend strongly on the cooperative binding of five ribosomal proteins to the 23S RNA. The underlying molecular mechanisms however remain poorly understood.The aim of this study is to shine new light on these mechanisms at the single molecule level. It focuses on a 23S ribosomal RNA fragment composed of the helices H18, H19 and H20 in domain I which encompasses the binding sites of the ribosomal proteins uL24 and uL4. This RNA fragment has been prepared in a dumbbell configuration and force versus displacement measurements have been performed using a dual optical trap. From these measurements, a map summarizing the mechanical stability of the RNA fragment has been determined.The maps obtained in absence and in presence of the ribosomal proteins uL24 and/or uL4 have been compared consequently demonstrating mechanical stabilization of the RNA fragment induced by the binding of uL24 and/or uL4. Moreover, their binding is cooperative and when both are present, the mechanical stabilization of the RNA fragment is enhanced.These results are discussed to specify the role of the RNA fragment and proteins uL24 and uL4 in the large ribosomal subunit assembly.

Récemment, les constructeurs automobiles se sont intéressés au développement des catalyseurs appelés quatre voies, destinés à diminuer simultanément les émissions polluantes des moteurs diesels par l'intermédiaire d'un seul monolithe catalytique. Dans cet objectif, plusieurs études ont montré que la capacité de stockage des NOx de ces catalyseurs est inhibée par la présence de suies. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans la compréhension des phénomènes en cause. Les résultats obtenus montrent que la présence de noir de carbone entraîne une diminution de la stabilité des nitrates adsorbés par les systèmes catalytiques étudiés et, ainsi, de leur capacité de stockage des NOx. Ce phénomène a été attribué à une réduction des espèces nitrates adsorbées à la surface des matériaux par les particules de carbone adjacentes. La présence d'une particule Pt à proximité d'un site de carbone favorise la formation de complexes oxygénés de surface, limitant l'effet réducteur du carbone envers les nitrates adsorbés. La perte de capacité d'adsorption des NOx des catalyseurs étudiés, observée lors de leur mise en contact avec du noir de carbone, s'est révélée irréversible à l'issue de l'oxydation du carbone. La caractérisation des matériaux par microscopie à transmission (MET) a révélé une modification importante de la structure des matériaux. Un frittage des particules de platine et une modification de la structure des particules de Ba entraînent en effet la perte irréversible de l'activité des matériaux vis-à-vis de l'adsorption des NOx.

Une des découvertes majeures faites par l'astronomie infrarouge est la présence de molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) dans les milieux interstellaires et circumstellaires. Ces macromolécules jouent un rôle essentiel dans la physique et chimie du milieu interstellaire (MIS). Cependant aucune espèce individuelle n'a pu être identifiée jusqu'à présent malgré de nombreuses études observationnelles, des travaux de modélisation et des expériences dédiées en laboratoire. Progresser dans cette identification nécessite de caractériser la nature de ces PAH qui est conditionnée par les processus de formation et d'évolution par photodissociation UV et réactivité chimique. Il s'agit ensuite d'obtenir des signatures spectroscopiques spécifiques. Ces sujets sont abordés expérimentalement dans ce travail en utilisant l'expérience PIRENEA dédiée à l'étude de la physico-chimie interstellaire. Dans la première partie de cette thèse, j'ai mesuré la photodissociation de ces espèces isolées dans le piège à ions de PIRENEA. L'objectif scientifique de cette étude est d'apporter des informations sur le processus de destruction des PAH par irradiation UV-visible et d'évaluer leur contribution à la formation de petits hydrocarbures et d'agrégats carbonés dans le MIS. Un inventaire des espèces produites par photodissociation a été fait pour chacune des molécules considérées et les principales voies de dissociation ont été identifiées. Dans la deuxième partie du travail, je présenterai une étude sur la spectroscopie visible de différents cations PAH et dérivés déshydrogénés réalisée par dissociation multiphotonique. Les résultats expérimentaux ont été comparés à des spectres théoriques obtenus avec un modèle de la théorie de la fonctionnelle de la densité et à des données spectroscopiques mesurées en matrices de gaz rare. Un modèle décrivant la photophysique des ions a été utilisé pour déterminer les sections efficaces d'absorption de certaines espèces étudiées. Ces données peuvent être utiles pour la pré-sélection de candidats aux bandes diffuses interstellaires, bandes qui sont observées en absorption dans le MIS depuis près d'un siècle et qui restent non identifiées.

Les bosons chargés identiques confinés dans une grande boite dont les parois portent une charge de signe contraire mais de même densité assurant la neutralité du système, constituent un plasma neutre à une composante. On obtient un plasma neutre à deux composantes lorsque les bosons identiques de charge positive et ceux de charge négative de même densité sont contenus dans la même boite. Le plasma non-neutre des bosons s'obtient en confinant l'assemblée des bosons identiques chargés dans un piège des particules chargées de Penning ou de Paul. Nous avons fait l'étude théorique de la dégénérescence quantique du plasma non-neutre des bosons de spin zéro confinés dans un piège de Paul à haute densité et à très basse température. Cette étude a porté d'abord sur un système sans transition de phase dans le piège, et ensuite sur le régime gazeux (de Mathieu) et sur le régime intermédiaire (liquide). Nous avons utilisé la théorie microscopique en considérant le champ scalaire complexe ou champ des mésons chargés pour construire les opérateurs bosons chargés de spin zéro, définir l'espace des états quantiques du système, construire les opérateurs champs de création et d'annihilation des bosons d'impulsion p au point r . Ces derniers nous ont permis de construire l'opérateur Hamiltonien de la seconde quantification du plasma et la matrice densité à une particule. La matrice densité du plasma non neutre de bosons de spin zéro et la prescription de Bogoliubov révèlent l'occupation macroscopique d'un état quantique dans le piège harmonique radiofréquence de Paul. Nous avons déterminé pour ce plasma l'énergie de l'état fondamental, le spectre des excitations élémentaires, l'équation de Hartree-Fock etc. Nos résultats sont comparés dans un tableau aux résultats de l'application de la théorie microscopique aux assemblées des bosons neutres confinés dans un piège magnétique et au gaz électronique.

Ce travail porte sur le greffage radicalaire de méthacrylate de méthyle sur un poly(éthylène-co-1-octène) par extrusion réactive. Le contrôle de l'architecture des copolymères greffés nécessite la compréhension des mécanismes réactionnels mis en jeu, à température et viscosité élevées. Grâce à une étude sur molécules modèles, les sites de greffage, les réactions gouvernant la masse molaire des greffons, ainsi que les réactions compétitives à l'origine de l'homopolymérisation ont pu être quantifiées. L'étude modèle, complétée par une simulation numérique, souligne la nécessité de diminuer la température du milieu réactionnel pour favoriser la réaction de greffage. Parallèlement, l'extrusion réactive confirme les tendances dégagées par l'étude modèle et met en évidence l'influence des conditions de mélange sur la morphologie. Enfin, l'utilisation de radicaux nitroxyles pour limiter la réaction d'homopolymérisation, n'améliore pas significativement l'efficacité du greffage.

L’expérience GBAR repose sur la production d’ions antihydrogène positifs dans le but de mesurer l’accélération gravitationnelle à laquelle est soumise l’antimatière au repos. Le projet ANTION, sous-projet de GBAR, a pour but la production de ces ions d’antimatière. Il vise également à mesurer la section efficace de production d’antihydrogène dans les collisions d’antiprotons sur des atomes de positronium, ainsi que les sections efficaces correspondantes avec la matière, de production d’hydrogène et de l’ion hydrogène négatif. Ces expériences reposent sur la formation d’un nuage très dense de positronium, et nécessitent donc une grande quantité de positons qui seront implantés sur un matériau convertisseur de positons en positronium. Cette thèse décrit la construction d’un piège à “buffer gas” à trois étages, destiné à piéger et accumuler des positons pour le projet ANTION. L’association d’un piège de Penning avec une source basée sur un Linac constitue un montage expérimental unique. Le piège a été construit et optimisé, et est maintenant pleinement opérationnel. Les protocoles de piégeage ont été étudiés et les effets du gaz tampon et du gaz de refroidissement sur le taux de piégeage et la durée de vie des positons ont été quantifiés. Afin de faciliter la mesure de la section efficace de production de l’hydrogène, une simulation avec GEANT4 a été mise au point. Elle décrit l’évolution temporelle et spatiale des atomes d’ortho-positronium dans la cavité où aura lieu la production d’hydrogène. On estime que 2.7 atomes d’hydrogène sont produits pour des proton de 6 keV d’énergie incidente, en utilisant les sections efficaces calculées avec le modèle “Coulomb-Born Approximation”, et 1.6 atomes d’hydrogène pour des protons de 10 keV, si l’on utilise la méthode “two-center convergent close-coupling”. Les simulations permettent également d’estimer le bruit de fond associé aux positons et à l’annihilation du para-positronium. Cette étude amène à proposer une modification permettant d’augmenter le nombre d’atomes de positronium dans la cavité. En parallèle, une étude a porté sur l’efficacité de modération de positons d’une couche épitaxiale de carbure de silicium 4H-SiC. Une efficacité de modération de 65% a été mesurée pour des positons implantés avec une énergie de l’ordre du kilo- électronvolt. Ce résultat intéresse les expériences de physique utilisant des positons lents, car il permet d’améliorer la luminosité de faisceaux de positons; dans le cas de GBAR cela permettrait d’augmenter l’efficacité de piégeage des positons. / The GBAR experiment relies on the production of antihydrogen positive ions to achieve its goal of measuring the gravitational acceleration of antimatter at rest. The ANTION project, included in the GBAR enterprise, is responsible for the production of these antimatter ions. Moreover, it also aims to measure the cross section of antihydrogen production throughout the collision of antiprotons and positronium atoms, as well as the matter cross sections of hydrogen and the hydrogen negative ion. These experiments imply the formation of a very dense positronium cloud, thus a large amount of positrons will be implanted on a positron/positronium converter material. This thesis reports the construction of a three stage buffer gas trap with the goal of trapping and accumulating positrons for the ANTION project. The combination of the Penning-type trap with a LINAC source constitutes a unique experimental setup. The trap was commissioned and optimized and is now fully operational. Trapping protocols were studied and the effect of the buffer and cooling gases on the positron trapping rate and lifetime was assessed. In order to assist the cross section measurement of hydrogen, a GEANT4 simulation was developed. It evaluates the time and spatial evolution of the ortho-positronium atoms in a cavity, where hydrogen production will take place. It was estimated that 2.7 hydrogen atoms are produced for proton impact energy of ∼ 6 keV, according to the cross sections computed with the Coulomb-Born Approximation model, and 1.6 hydrogen atoms for a proton impact energy of ∼ 10 keV, according to the two-center convergent close-coupling method. The simulations also allow the estimation of the background associated with the positron and para-positronium decay. In addition, a suggestion is proposed to increase the number of positronium atoms in the cavity. In parallel, the positron moderation efficiency of a commercially available 4H-SiC epitaxial layer was studied. A 65% moderation efficiency was observed for kiloelectronvolt implanted positrons. This result can be of interest to slow positron physics experiments by improving the brightness of positron beams, and in particular to GBAR as it can potentially increase the efficiency of positron trapping.

La future installation SPIRAL2 du GANIL, à Caen, permettra de produire une gamme étendue de noyaux exotiques avec des intensités très importantes. Cependant, ces faisceaux ne pourront pas être directement utilisés pour réaliser certaines études de haute précision et devront d'abord être purifiés. C'est pour réaliser ce travail que des équipes du CENBG, du MPIK (Heidelberg), du CSNSM, du LPC Caen, du GANIL et de l'IPNO développent un double-piège de Penning dans le cadre du projet PIPERADE. Ce double-piège nécessitant un travail de mise en forme préalable du faisceau (diminution de l'émittance transverse et mise en paquet), le CENBG est en charge de la réalisation d'un refroidisseur-regroupeur quadripolaire radiofréquence : le GPIB. C'est ce développement qui a constitué la majeure partie de mon travail de thèse, notamment en ce qui concerne les simulations de ce refroidisseur-regroupeur dont les résultats ont permis de trouver une méthode innovante pour la mise en paquet et de valider sa conception mécanique. Nous disposons également d'une source d'ions afin de pouvoir tester le GPIB et le double-piège et il m'a fallu la remonter, la comprendre et la caractériser pour que ces tests soient ensuite possibles. Dans un second temps j'ai aussi participer à l'analyse de l'expérience E622S menée au GANIL et qui avait pour but de déterminer précisément la demi-vie de 17F. Ce travail n'a pas permis d'améliorer la précision sur la demi-vie de 17F mais nous avons cependant quelques doutes sur les 2 précédentes mesures et sur leur détermination du taux de contamination de leurs échantillons. / The future SPIRAL2 installation of GANIL, at Caen, will produce large range of exotic nuclei with very high intensities. Nevertheless, these beams could not be used directly for some high precision studies and will have to be purified first. To achieve this work, teams of CENBG, MPIK (Heidelberg), CSNSM, LPC Caen, GANIL and IPNO develop a double Penning trap in the framework of the PIPERADE project. Because this double Penning-trap needs some shaping work (reduction of transverse emittance and bunching), the CENBG team is in charge of the realisation of a radio-frequency quadrupole cooler and buncher : the GPIB. This developpement work was the main part of my PhD work, especially for the simulations of this cooler buncher whose results lead us to find a new bunching method and allowed us to approve its mechanical design. We also have an ion source to be able to test both GPIB and Penning trap and I had to reassemble it, to understand it and to characterise it before these tests could be achieved. In a second time I also took part to the analysis of the E622S experiment which aimed to determined precisely the 17F half-life. This work did not lead to a more precise determination of this half-life but we now have some doubts concerning the 2 last measurements and their way to determine the contamination rate of their radioactive samples.

La miniaturisation des systèmes de piégeage optique permet la manipulation et l’analyse d’objets de taille nano et micrométrique. Ces objets peuvent être inertes (billes de silice ou de polystyrène, nanotubes de carbones) ou biologiques (virus, bactéries, cellules). Les dispositifs de piégeage intégrés sur puces présentent l’avantage de manipuler des objets uniques de manière réversible et à très faible puissance. Cela en fait des systèmes très adaptés à l’étude des objets biologiques, souvent plus fragiles et traditionnellement étudiés à l’échelle de la population dans les méthodes de microbiologie. Ces travaux de thèse portent sur l’étude de différentes bactéries piégées sur cristaux photoniques 1D et 2D. Nous y démontrons tout d’abord le piégeage de sept espèces bactériennes : E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida et L. innocua. . Nous y décrivons les méthodes de caractérisation spatiale et temporelle développées pour extraire de l’information de ce piégeage sur la taille, la forme, le déplacement et la structure membranaire des bactéries. Un dispositif de piégeage à deux lasers a également été implémenté pour permettre l’analyse fine de l’état d’une bactérie E. coli soumise à un stress thermique. Ces résultats s’inscrivent dans une problématique de diagnostic bactérien, très sensible depuis quelques années avec l’augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques. Si aucun changement n’intervient, il est prédit que les infections bactériennes constitueront la première cause de mortalité des pays développés d’ici 2050. Il est donc nécessaire d’élaborer de nouveaux outils de diagnostic plus rapides et plus accessibles afin de limiter la distribution abusive d’antibiotiques qui entraine ce phénomène de résistance Nous proposons également en dernière partie de ce manuscrit des solutions pour intégrer notre dispositif de piégeage en vue d’ouvrir la voie à de nouvelles applications dans des environnements pathogènes. / The miniaturisation of optical trapping systems allows the manipulation and analysis of nano and micron sized objects. These objects can be inert (silica or polystyrene beads, carbon nanotubes) or biological (viruses, bacteria, cells). Integrated trapping devices on chips have the advantage of handling single objects reversibly and at very low power. This makes them very suitable for the study of biological objects, often more fragile and traditionally studied at the population level in microbiology methods. This work deals with the study of different bacteria trapped on 1D and 2D photonic crystals. We first demonstrate the trapping of seven bacterial species: E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida and L. innocua. . We describe a spatial and temporal characterisation methods developed to extract information from this trapping on the size, shape, motility and membrane structure of bacteria. A trapping device with two lasers has also been implemented to allow the fine analysis of the state of an E. coli bacterium subjected to heat stress. These results falls within the issue of bacterial diagnosis, very sensitive in recent years with the increase of the resistance of bacteria to antibiotics. If no change occurs, it is predicted that bacterial infections will be the main cause of death in developed countries by 2050. It is therefore necessary to develop new, faster and more accessible diagnostic tools to limit the large distribution of antibiotics leading to this phenomenon of antibioresistance. We also propose in the last part of this manuscript solutions to integrate our trapping device in order to pave the way for new applications in pathogenic environments.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège. / The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons.