La Spectroscopie de Résonance Magnétique (SRM) constitue un outil non-invasifunique pour l’exploration biochimique du métabolisme des organismes vivants. Cependant,en raison des champs magnétiques couramment utilisés chez l’homme etle petit animal, la SRM in vivo du proton ne permet pas de quantifier précisémentla concentration de tous les métabolites présents dans le cerveau. La SRM à deuxdimensions spectrales (SRM 2D), technique utilisée en routine en chimie, permetde séparer efficacement les signatures spectrales des métabolites facilitant ainsi leuridentification et leur quantification en termes de concentrations. Les travaux réalisésdans le cadre de cette thèse concernent le développement de méthodes d’acquisitionet de quantification de spectres RMN 2D J-résolus in vivo et sont présentéssuivant deux axes majeurs. Le premier axe concerne les travaux relatifs à la SRM2D J-résolue conventionnelle qui ont fait l’objet du développement d’une séquenceJ-PRESS sur un imageur 7 T pour l’acquisition de spectres 2D sur le cerveau de rat.Les données acquises sont traitées avec une méthode d’analyse spectrale développéeet optimisée spécifiquement pour la quantification de données SRM 2D J-résolues,reposant sur une connaissance a priori et un ajustement numérique dans le domainetemporel. Le second axe concerne les travaux relatifs à la réduction de la duréed’acquisition en SRM 2D avec le développement de techniques basées sur le conceptrécent de RMN ultrarapide. Une nouvelle séquence de SRM 2D J-résolue ultrarapidea été développée et validée sur un imageur 7 T et a permis l’acquisition de spectres2D complets avec une durée d’acquisition de l’ordre de la seconde. / In vivo proton Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is a powerful tool for metabolicprofiling because this technique is non-invasive and quantitative. However,conventional localized spectroscopy presents important in vivo metabolic informationthrough overlapped spectral signatures greatly affecting the quantification accuracy.Two-dimensional (2D) MRS, originally developed for analytical chemistry,has great potential to unambiguously distinguish metabolites. Therefore, metabolitequantification is improved allowing accurate estimation of their concentrations. Inthis thesis, the research findings are presented under two main headings. The firstline of research focuses on conventional 2D MRS J-resolved. A J-PRESS sequencewas developed allowing the acquisition of in vivo 2D MRS spectra, which were processedby a dedicated quantification method. Experiments were performed on therat brain using a 7 T imaging system and different sampling strategies were evaluated.The quantification method, specifically developed to handle 2D J-resolved MRSdata quantification in time domain, is based on a strong prior-knowledge. However,2D MRS suffers from long acquisition times due to the collection of numerous incrementsin the indirect dimension. Therefore, the second line of research focuseson the reduction of acquisition time using recently developed methods based on theultrafast NMR concept. A new pulse sequence was designed, allowing 3D localizedultrafast 2D J-resolved spectroscopic acquisition on a 7T small animal imaging system. This breakthrough allows the acquisition of a complete 2D spectrum in a singlescan, resulting in acquisition times of a few seconds.

Les techniques de spectroscopie femtoseconde permettent d’étudier les processus de conversion d’énergie dans les système organiques. Elles permettent d’étudier les populations photo-générées et leur évolution à l’échelle de ces photoréactions. Elles permettent de comprendre les transferts d’énergie et de charge intra- et inter-moléculaires à l’origine du fonctionnement de ces systèmes.La protéine de rétinal Anabaena sensroy Rhodopsin est un photocommutateur naturel, qui est étudié afin de comprendre les paramètres à l’origine de l’efficacité quantique d’isomérisation. Nous avons pu déterminer cette efficacité quantique pour les deux formes stables du rétinal ainsi que leur dynamique d’isomérisation dans les mêmes conditions expérimentales.La génération de charge dans des couches actives pour le photovoltaique organique est étudiée dans un système composé d’un mélange de PCBM et d’un donneur organique dérivé du colorant BODIPY. L’influence de la nanostructuration de la couche active sur la génération de charge est étudiée. La génération de charge est limitée dans ce système par la recombinaison des charges générées et par la diffusion des excition aux interfaces donneur-accepteur. Ces observations indiquent que l’amélioration de la nanostructuration de la couche active peut permettre d’augmenter les rendements de photo-génération de charge. / Femtosecond transient spectroscopies are used to investigate photonic energy conversion inorganic systems. These techniques allow to observe the ground and excited states of themolecules at the timescale of the photoreactions. It is used to understand the inter- andintramolecular energy and charge transfers leading to the desired photochemical process.The natural photoswiching retinal protein Anabaena sensory Rhodopsin is studied to understand the key parameters ruling the isomerisation quantum yield. We could determine the isomerisation quantum yield of both stable forms and their dynamics in the very same experimental conditions.Charge generation is investigated in small molecule bulk heterojunction active layers for organic solar cells made of PCBM and a BODIPY dye-derivative donor. The influence of the active layer morphology on charge generation is studied. The charge generation is limited by charge recombination but also by exciton diffusion to the donor-acceptor interface. The active layer morphology has to be improved to achieve more efficient organic solar cells with these materials.

Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique d'aimantation selon deux échelles de temps en utilisant la technique pompe-sonde magnéto-optique résolue en temps. A l'échelle de la picoseconde, la précession de l'aimantation est induite par des impulsions acoustiques dans des structures multicouches composées de deux couches ferromagnétique séparées par une couche métallique (Ni/Au/Py) avec différentes épaisseurs. La synchronisation de la précession des couches ferromagnétiques couplées a été observée. La modification de la précession de l'aimantation d'une couche de Ni est due l'interaction d'échange intercouche avec la couche Py. A l'échelle de 50fs, nous avons étudié la dynamique magnéto-optique cohérente, athermale, thermale et la relaxation des charges et des spins dans (Ni, Co et Fe) par impulsions de 11 fs dans un régime de faible perturbation. L'interaction spin-orbite et l'interaction d'échange jouent un rôle significatif dans la désaimantation ultrarapide. / In this thesis, we have investigated the magnetization dynamics at picosecond and femtosecond time scale using time resolved magneto-optical pump probe technique. At picosecond time scale, the magnetization precession is induced by ultrafast acoustic pulses in a three layered structure with two ferromagnetic layers separated by varying thickness of metallic spacer layer (Ni/Au/Py). The magnetization precession dynamics of the Ni layer is modified due to the interlayer exchange interaction with the Py layer and the synchronized precession of the coupied ferromagnetic layers has been observed. At the timescale of 50fs, coherent magneto-optical, non-thermal, thermal and relaxation dynamics of charges and spins in ferromagnetic transition metals (Ni, Co and Fe) is studied by using 11fs optical pulses in a very low perturbation regime. The spin orbit interaction and exchange interaction play a significant role in the demagnetization of the ferromagnetic metals induced by femtosecond pulses.

Cette thèse présente une étude des impulsions électroniques ultra-brèves en utilisant le nouveau microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM) à Strasbourg. La première partie porte sur le mode d’opération stroboscopique, basé sur l’utilisation d’un train d’impulsions d’électrons de l’ordre de la picoseconde pour l’étude des phénomènes réversibles ultrarapides. L’étude paramétrique effectuée a permis de révéler les dynamiques fondamentales des impulsions électroniques. Des mécanismes inconnus jusqu’alors et décisifs dans les caractéristiques des impulsions ont été dévoilés. Il s’agit des effets de trajectoire, qui limitent la résolution temporelle, et du filtrage chromatique, qui impacte la distribution en énergie et l’intensité du signal. Ces connaissances permettent aujourd’hui un paramétrage affiné de l’UTEM de manière à satisfaire les divers besoins expérimentaux. La deuxième partie concerne l’installation du mode d’opération complémentaire : le mode « singel-shot ». Ce mode fait appel à une impulsion unique d’intensité élevé et d’une durée de l’ordre de la nanoseconde pour l’étude des phénomènes irréversibles. L’UTEM de Strasbourg étant le premier instrument single-shot équipé d’un spectromètre de perte d’énergie des électrons (EELS), l’influence de l’aberration chromatique a pu été étudiée en détail. Elle s’est dévoilée être une limitation majeure pour la résolution en imagerie, nécessitant d’ajuster le bon compromis avec l’aberration sphérique d’une part et l’intensité du signal d’autre part. Enfin, la faisabilité de mener des études en EELS ultrarapide avec une seule impulsion nanoseconde a pu être démontrée, ceci constituant une première mondiale. Ce résultat très prometteur ouvre un tout nouveau domaine d’expériences résolu en temps. / This thesis presents a study of ultrashort electron pulses by using the new ultrafast transmission electron microscope (UTEM) in Strasbourg. The first part focuses on the stroboscopic operation mode which works with trains of picosecond multi-electron pulses in order to study ultrafast, reversible processes. A detailed parametric study was carried out, revealing fundamental principles of electron pulse dynamics. New mechanisms were unveiled which define the pulse characteristics. These are trajectory effects, limiting the temporal resolution, and chromatic filtering, which acts on the energy distribution and signal intensity. Guidelines can be given for optimum operation conditions adapted to different experimental requirements. The second part starts with the setup of the single-shot operation mode, based on intense nanosecond electron pulses for the investigation of irreversible processes. Having the first ns-UTEM equipped with an electron energy loss spectrometer, the influence of chromatic aberration was studied and found to be a major limitation in imaging. It has to be traded off with spherical aberration and signal intensity. For the first time, the feasibility of core-loss EELS with one unique ns-electron pulse is demonstrated. This opens a new field of time-resolved experiments.

La capacité de photo-commuter les propriétés physico-chimiques des matériaux fonctionnels grâce à des transitions de phase induites par la lumière, ouvre des perspectives fascinantes pour diriger un matériau vers un nouvel état hors équilibre thermique. Cependant, il est fondamental de comprendre tous les phénomènes élémentaires, habituellement cachés dans une moyenne statistique lors des transformations à l'équilibre. Les études résolues en temps représentent une approche unique pour accéder à l'évolution des différents degrés de liberté du système et connaître les processus élémentaires mis en jeu lors de la commutation macroscopique. Les matériaux à transition de spin (SCO) sont d'un intérêt particulier car ce sont des systèmes photo-réversibles. Ces matériaux sont aussi des prototypes photomagnétiques et photochromiques qui commutent entre deux états de différente multiplicité de spin, nommés bas spin (LS) et haut spin (HS). Dans ce travail de thèse, nous étudions les dynamique ultrarapides électroniques et structurales de cette classe de solides moléculaires, en soulignant l'importance d'utiliser des sondes complémentaires sensibles à différents degrés de liberté. Les commutation photo-induite entre états de spin est ultra-rapide et initialement localisée à l'échelle moléculaire, où le couplage électron-phonon active des vibrations cohérentes intramoléculaires. Un transfert d'énergie ultra-rapide de la molécule au réseau, via un couplage phonon-phonon, permet de piéger efficacement le système dans le nouvel état photo-induit. Cependant, dans les solides moléculaires, l'excès d'énergie libérée de la molécule excitée résulte dans un aspect complexe multi-échelle impliquant plusieurs degrés de liberté à des échelles de temps différentes. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la dynamique multi-étape hors équilibre d'un système SCO présentant une brisure de symétrie entre la phase HS et la phase intermédiaire (IP) où une mise en ordre à longue distance des états HS et LS des molécules résulte en la formation d'une onde de concentration de spin (SSCW). La diffraction des rayons X résolue en temps combinée avec des études de spectroscopie optique donnent une description complète de la dynamique hors-équilibre de la SSCW hors-équilibre en mesurant l'évolution temporelle des deux paramètres d'ordre décrivant le système. / The ability to photo-switch physical/chemical properties of functional materials through photo induced phase transition opens fascinating perspectives for driving the material towards new state out of thermal equilibrium. However, it is fundamental to disentangle and understand all the dynamical phenomena, otherwise hidden in statistically averaged macroscopic transformations. Arguably, time-resolved studies are unique approach to access the necessary information on the multiple degrees of freedom and elementary processes involved during the macroscopic switching. As photo-reversible molecular switches, spin crossover (SCO) materials are of particular interest. These photomagnetic and photochromic prototype materials undergo metastable photoinduced phase transition between two states of different spin multiplicity, namely low-spin (LS) and high-spin (HS). In this PhD work it will be presented the ultrafast electronic and structural dynamics of SCO molecular solids emphasizing the importance of using complementary probes sensitive to different degrees of freedom. The photoinduced spin state switching concerns initially only an ultrafast, but localized, molecular response which through strong electron-phonon coupling activates coherent intra-molecular vibrations. An ultrafast energy transfer from the molecule to the lattice, via phonon-phonon coupling, allows an efficient trapping of the system in the new photoinduced state. However in molecular solids, the excess of energy released from the absorber molecule results in a complex multi-scale aspect involving several degrees of freedom at different time scales. In this contest, we investigated the multi-step out-of equilibrium dynamics of a SCO system undergoing symmetry breaking between the HS phase and the intermediate (IP) phase where a long range ordering of HS and LS molecules results in a spin state concentration wave (SSCW), analogous to charge or spin density waves. Combined time-resolved X-ray diffraction and optical spectroscopy studies provide a complete overview of the out-of-equilibrium thermodynamics of the SSCW, investigating how the two order parameters describing the system evolve in time.

Résumé: Comparées aux classiques insulines humaines régulières (IHR), les insulines analogues ultrarapides (IAUR) ont été conçues pour mieux synchroniser le pic insulinémique avec l’absorption du repas. Le progrès a été démontré chez les patients diabétiques de type 1, mais le contrôle glycémique s’est peu ou pas amélioré chez les patients diabétiques de type 2 (DT2), qu’ils soient sous IAUR ou IHR. Or ces patients constituent 75 % des utilisateurs d’insuline. L’utilité des IAUR est donc toujours débattue. La dose (donc le volume) injectée et le flot sanguin dans le tissu adipeux sous-cutané (FSTA) sont les facteurs majeurs de l’absorption de l’insuline. Les patients DT2, résistants à l’insuline, s’injectent des doses importantes et leur FSTA est de 50 à 70 % plus faible que celui des sujets sains de poids normal (PN). Nous avons montré que l’absorption sous-cutanée des IAUR est diminuée chez les sujets obèses et DT2 (ODT2) par rapport aux sujets PN, que le volume injecté avait un effet délétère additionnel et que le FSTA peut être augmenté de façon pharmacologique avec un agent vasoactif (AV) chez des sujets résistants à l’insuline. Nous suggérons que l’ajout d’un AV à une IAUR va augmenter le FSTA au site d’injection et donc améliorer sa pharmacocinétique (PK) et sa pharmacodynamie (PD). Pour vérifier cette hypothèse, nous avons 1) évalué la réponse du FSTA à 4 AV chez des sujets PN, obèses non-diabétiques et ODT2; 2) évalué la PK/PD et la biodisponibilité de l’IAUR lispro ± AV chez des sujets ODT2; et 3) caractérisé l’expression des cibles des AV dans le tissu adipeux sous-cutané chez les sujets énumérés en 1). Les 4 AV ont augmenté le FSTA des sujets ODT2, mais moins que celui des autres sujets. L’occurrence de la raréfaction et/ou dysfonction microvasculaire chez les sujets ODT2 pourrait expliquer l’hyporéactivité vasculaire aux AV testés. Le plus actif des AV chez les sujets ODT2 a été ajouté à l’IAUR lispro pour améliorer sont absorption sc. Les PK/PD ont été améliorées seulement chez les sujets ODT2 avec une hémoglobine glycosylée A1c ≥ 8 %; c’est-à-dire 4 sujets sur 8. Chez ces derniers, l’absorption de 30 U + AV a été plus rapide de 14 et 71 min à 20 et 80 % de l’aire sous la courbe totale de la lispro plasmatique, respectivement. Chez les 4 autres sujets ODT2, l’absorption de la lispro semble s’être détériorée avec l’AV. Une interaction chimique a peut-être eu lieu entre l’AV et la lispro, ce qui aurait perturbé son absorption. Selon nos résultats, le niveau de contrôle du diabète, le volume d’injection et les caractéristiques chimiques de l’AV seraient des modulateurs de l’efficacité du concept IAUR + AV. Il nous faut maintenant déterminer l’impact de ces facteurs sur la capacité d’un AV à améliorer l’absorption sc de l’IAUR chez les sujets ODT2. / Abstract: Compared to classic regular human insulin (RHI), short-acting insulin analogues were designed to better synchronize plasma insulin increase to food absorption. Although improvements were noted in subjects with type 1 diabetes, slight to no improvement in glycemic control were observed in subjects with type 2 diabetes (T2D) using SAIA instead of RHI. Nevertheless, they represent 75 % of all insulin users. Consequently, the relative useful-ness of SAIA in T2D patients is currently hotly debated. Injected volume and subcutaneous (sc) adipose tissue blood flow (ATBF) are two main factors involved in insulin absorption. In fact, T2D patients use large doses of insulin because of their resistance to insulin and have an ATBF 50 to 70 % lower than lean healthy subjects. We already showed that SAIA absorption is decreased in obese T2D (OT2D) subjects compared to normal weight healthy subjects and that volume has additional detrimental effects. We also showed that ATBF can be increased pharmacologically with vasoactive agents (VA) in healthy and insulin-resistant subjects. Then we suggest that in OT2D subjects, addition of VA to SAIA preparations will locally increase ATBF, improve insulin sc absorption (Pharmacokinetic - PK) and bioavailability, thus insulin hypoglycemic effect (Pharmacodynamic - PD). To test this hypothesis, we 1) assessed ATBF response of 4 selected VA within three experimental groups (normal weight, obese non-diabetic and OT2D subjects); 2) evaluated insulin PK/PD and bioavailability improvement in OT2D subjects after the addition of the best VA to SAIA lispro and 3) characterized expression of selected VA targets in sc adipose tissue biopsies, within equivalent experimental groups, and compared results with ATBF responses. All 4 VA were able to increase ATBF of OT2D subjects but in a less extend than other subjects. The occurrence of microvascular rarefaction and/or dysfunction in OT2D subjects can explain the hyporeactivity to tested VA. Nevertheless, one VA among others was shown more effective to increase ATBF in OT2D subjects and was then tested (mixed) with SAIA lispro. With the AV, PK/PD were improved only in OT2D subjects with A1c glycated hemoglobin ≥ 8 %; 4 subjects on 8. The sc absorption of 30 U + VA was faster by 14 and 71 min for respectively 20 and 80 % of the total area under the lispro plasmatic curve. But the sc absorption with VA appeared blunted with the other subjects. Maybe detrimental chemical interactions occurred between the VA and lispro, which could impede absorption. Our results suggest that diabetes control state, injection volume, and VA chemical characteristics influence the efficacy of our SAIA + VA concept. Further tests are needed to seize the impact of these factors on VA effectiveness in sc absorption improvement of SAIA in OT2D subjects.

Les isolants de Mott sont un exemple parfait de l’impact des corrélations électroniques locales sur les propriétés macroscopiques des matériaux. En variant légèrement le dopage ou la pression, un métal peut se transformer en un isolant. Ces propriétés peuvent être modifiées de manière très rapide en plaçant ces matériaux loin de l'équilibre. Nous avons étudié un prototype de Mott-Hubbard, V2O3 dopé en Cr, en utilisant l'état de l’art des techniques pompe-sonde, à savoir la photoémission résolue en angle, la réflectivité optique, la spectroscopie THz, et la diffraction des rayons X. La réponse électronique du système, après une excitation laser femtoseconde, qui a été maintenue pour chaque expérience à une longueur d'onde de 800 nm, a pu être déconvoluée de la réponse du réseau. Une étude comparative de ces réponses transitoires démontre un fort couplage électron-phonon dans ce prototype de matériau fortement corrélé. Avant thermalisation, le poids spectral est transféré de la bande de Hubbard inférieure vers le gap de Mott. Sur une échelle de temps plus long un état métastable est stabilisé par un changement structural. Pour mieux comprendre la réponse transitoire des isolants de Mott, nous avons également étudié un autre composé de Mott, BaCo1-xNixS2. Les tendances générales des isolants de Mott après photoexcitation ont été analysées en utilisant un modèle à deux orbitales. Nous interprétons que le remplissage du gap comme un changement spécifique des occupations orbitales. / Mott insulators are a perfect example of how local electronic correlations can change macroscopic properties of materials. Varying slightly the doping or the pressure can transform a metal to an insulator. These properties can be modified extremely rapidly by driving these materials far from equilibrium. We have investigated the model Mott-Hubbard material Cr-doped V2O3 using state of the art pump-probe techniques, namely angle resolved photoelectron spectroscopy, optical reflectivity, THz time-domain spectroscopy, and X-ray diffraction. We were able to unequivocally disentangle the electronic and the lattice response of the system to a femtosecond laser excitation, which was kept in all cases at a wavelength of 800 nm. We present a comparative study of these transient responses, which demonstrates the strong electron-phonon coupling of this strongly correlated model material. We show that before thermalization, spectral weight is transferred from the lower Hubbard band towards the Mott gap. On a longer time scale a metastable state is stabilized by the lattice structure. To further understand the transient response of Mott insulators, we have also studied another Mott compound, BaCo1-xNixS2. The general trends of photoexcitation in Mott insulators are analyzed using a two orbital model. We argue that the filling of the gap can be due to a change of the specific orbital fillings.

L’objectif de cette thèse de doctorat était de développer l’échographie ultrarapide 3D du cœur, plus particulièrement dans le but de caractériser le muscle cardiaque. A cet effet, un échographe ultrarapide assemblé dans notre laboratoire a été utilisé. Dans la première partie de cette thèse, un mode d’imagerie temps-réel a été développé pour faciliter l’imagerie in-vivo en utilisant ce scanner, ainsi que des outils de visualisation 3D et 4D. Par la suite, l’imagerie 3D du tenseur de rétrodiffusion a été développée pour analyser l’orientation des fibres musculaires du cœur de manière non-invasive au cours du cycle cardiaque. Des résultats obtenus sur un volontaire avant et après la contraction cardiaque ont été obtenus. De plus, les effets indésirables du mouvement axial ont été étudiés, et une méthode d’estimation de la vitesse axiale et de correction des aberrations induites a été proposée et appliquée sur l’homme. Cette technique pourrait devenir un outil intéressant de diagnostic et quantification de la désorganisation des fibres musculaires dans le cadre de cardiomyopathies hypertrophiques. De plus, l’échographie ultrarapide 3D a été utilisée pour visualiser la propagation dans les parois du cœur d’ondes de cisaillement générées naturellement au cours du cycle cardiaque, et un algorithme pour déterminer leurs vitesses a été développé. Cette technique a été validée grâce à des simulations numériques puis appliquée sur deux volontaires sains, pendant les phases de contraction et relaxation du myocarde. Etant donné que la vitesse des ondes de cisaillement est directement reliée à la rigidité du cœur, cette méthode pourrait permettre d’estimer la capacité du cœur à de contracter et à se relâcher, qui sont des paramètres important pour son fonctionnement. Enfin, l’activation de la contraction cardiaque de cœurs de rats isolés a été imagée à haute cadence et en 3D dans le but d’analyser la synchronisation de la contraction. Les délais d’activation mécanique ont pu correctement être quantifiés lors du rythme naturel du cœur, de stimulations électriques extérieures ainsi qu’en hypothermie. Ensuite, la faisabilité de la technique en 2D sur des cœurs humains de manière non-invasive a été étudiée et appliquée sur des fœtus et des adultes. Cette technique d’imagerie pourrait aider la caractérisation d’arythmies et améliorer leur traitement. En conclusion, nous avons introduit dans ces travaux de thèse trois nouvelles modalités d’imagerie ultrarapide 3D permettant de quantifier des propriétés structurelles et fonctionnelles du myocarde qui jusqu’ici ne pouvaient pas être imagée en échocardiographie. L’imagerie 3D ultrarapide est une modalité très prometteuse, non ionisante, transportable et qui pourrait améliorer fortement dans le futur le diagnostic et la prise en charge des patients. / The objectives of this PhD thesis were to develop 3D ultrafast ultrasound imaging of the human heart toward the characterization of cardiac tissues. In order to do so, a customized, programmable, ultrafast scanner built in our group was used. In the first part of this thesis, a real-time imaging sequence was developed to facilitate in-vivo imaging using this scanner, as well as dedicated 3D and 4D visualization tools. Then, we developed 3D Backscatter Tensor Imaging (BTI), a technique to visualize the muscular fibres orientation within the heart wall non-invasively during the cardiac cycle. Applications on a healthy volunteer before and after cardiac contraction was shown. Moreover, the undesired effects of axial motion on BTI were studied, and a methodology to estimate motion velocity and reduce the undesired affects was introduced and applied on a healthy volunteer. This technique may become an interesting tool for the diagnosis and quantification of fibres disarrays in hypertrophic cardiomyopathies. Moreover, 3D ultrafast ultrasound was used to image the propagation of naturally generated shear waves in the heart walls, and an algorithm to determine their speed was developed. The technique was validated in silico and the in vivo feasibility was shown on two healthy volunteers, during cardiac contraction and relaxation. As the velocity of shear waves is directly related to the rigidity of the heart, this technique could be a way to assess the ability of the ventricle to contract and relax, which is an important parameter for cardiac function evaluation. Finally, the transient myocardial contraction was imaged in 3D on isolated rat hearts at high framerate in order to analyse the contraction sequence. Mechanical activation delays were successfully quantified during natural rhythm, pacing and hypothermia. Then, the feasibility of the technique in 2D on human hearts non-invasively was investigated. Applications on foetuses and adults hearts were shown. This imaging technique may help the characterization of cardiac arrhythmias and thus improve their treatment. In conclusion, we have introduced in this work three novel 3D ultrafast imaging modalities for the quantification of structural and functional myocardial properties. 3D ultrafast imaging may become an important non-ionizing, transportable diagnostic tool that may improve the patient care at the bed side.

Dans cette thèse, nous rapportons l'évolution temporelle du premier et du troisième ordre de la diffusion magnétique d'un film CoTb amorphe après une excitation femtoseconde. Ces résultats sont obtenus en appliquant une diffusion résonnants de rayons X aux petits angles au seuil d'absorption magnétique de Co M3 via des expériences de pompe sonde répétitives. Une différence de comportement entre le premier et le troisième ordre de diffusion a été observée après 3,5 ps, où une seconde baisse de l'intensité du troisième ordre apparaît. En utilisant des modèles appropriés, nous montrons que cette différence est due à une augmentation de la largeur de la paroi du domaine séparant deux domaines opposés. Nous supposons que cet élargissement de la paroi est généré par une variation de l'anisotropie uniaxiale hors plan due au réchauffement thermique du réseau par l'impulsion laser femtoseconde. Cette interprétation est vérifiée en mesurant l’anisotropie uniaxiale en fonction de la température de chauffage en effectuant des mesures statiques SQUID-VSM. / In this thesis, we report the time evolution of first and third order of magnetic scattering from an amorphous CoTb film after a femtosecond excitation. These results are obtained by applying a resonant small angle X ray scattering at the Co magnetic absorption edge M3 via a repetitive pump probe experiments. Difference in behaviours between the first and third scattering orders was observed after 3.5 ps where a second drop of the third order intensity appears. Using suitable models, we show that this difference is due to an increase of the domain wall width separating two opposite domains. We suppose that this wall broadening is generated by the variation of the out of plane uniaxial anisotropy due to the thermal heating of the lattice by the femtosecond laser pulse. This interpretation is verified by following the uniaxial anisotropy as function of the heating temperature by doing static SQUID-VSM measurements

L'amélioration des techniques de dépôts et l’évolution de la compréhension de la physique de la matière condensée a conduit à la découverte de phénomènes nouveaux en électronique de spin (spintronique). En particulier, le retournement de l’aimantation par couple de transfert de spin et couple spin-orbite, ainsi que le développement de dispositifs basés sur la propagation d’ondes de spin ont fait de l’amortissement magnétique de Gilbert un paramètre central pour les futures technologies de stockage et de traitement de l’information. Dans cette étude, la prédiction de valeurs très faibles d’amortissement dans les alliages d’Heusler demi métaux magnétiques Co2MnZ est expérimentalement observée et directement corrélée à la structure électronique sous-jacente. En effet, en substituant l’élément Z dans des couches minces monocristallines de haute qualité de Co2MnZ (Z= Al, Si, Ga, Ge, Sn, Sb) faites par épitaxie par jet moléculaire, les propriétés électroniques telles que le gap de spin minoritaire, la position du niveau de Fermi et la polarisation en spin peuvent être accordées et leurs conséquences sur la dynamique de l’aimantation sont analysées. Les résultats expérimentaux nous permettent de comprendre la relation existante entre la structure électronique mesurée et la valeur d’amortissement magnétique, ainsi que de les comparer aux calculs ab initio. Les valeurs d’amortissement entre 4.1 x10-4 et 9 x10-4 pour Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn et Co2MnSb sont les plus petites valeurs jamais reportées pour des couches conductrices et constituent une preuve expérimentale qui confirme les prédictions théoriques sur ces alliages d’Heusler demi métaux magnétiques. Ensuite, la relation entre l’amortissement magnétique de Gilbert et le temps de désaimantation ultra-rapide induit par pulse laser dans la série d’alliages quaternaires Co2MnSixAl1-x à polarisation en spin variable est étudiée. Cette partie vise à vérifier des modèles théoriques qui essaient d’unifier ces deux quantités vivant sur des échelles de temps différentes. Finalement, les propriétés structurales et magnétiques de super réseaux Mn3Ga/Co2YZ sont étudiées dans le but de combiner un amortissement de Gilbert très faible, un gap de spin minoritaire ainsi que l’aimantation perpendiculaire aux plans des couches, une caractéristique indispensable pour des dispositifs à faible consommation d’énergie. / Improvements in thin film elaboration methods and a deeper understanding of condensed matter physics have led to new exciting phenomena in spin electronics (spintronics). In particular, magnetization reversal by spin-orbit and spin-transfer torque as well as the development of spin waves based devices have placed the Gilbert magnetic damping coefficient as a key parameter for future data storage and information processing technologies. The prediction of ultralow magnetic damping in Co2MnZ Heusler half-metal magnets is explored in this study and the damping response is shown to be linked to the underlying electronic structure. By substitution of the Z element in high quality Co2MnZ (Z=Al, Si, Ga, Ge, Sn and Sb) epitaxial thin films grown by molecular beam epitaxy, electronic properties such as the minority-spin band gap, Fermi energy position in the band gap, and spin polarization can be tuned and the consequences for magnetization dynamics analyzed. Experimental results allow us to directly explore the interplay of spin polarization, spin gap and Fermi energy position, with the magnetic damping obtained in these films (together with predictions from ab initio calculations). The ultralow magnetic damping coefficients measured in the range from 4.1 x10-4 to 9 x10-4 for Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn and Co2MnSb are the lowest values ever reported in conductive layers and offer a clear experimental demonstration of theoretical predictions on half metal magnetic Heusler compounds. Then, the relation between the Gilbert damping and the ultrafast demagnetization time in quaternary Co2MnSixAl1-x compounds with a tunable spin polarization is analyzed. This way, it is possible to confront theoretical models unifying those two quantities that live in different timescales. Finally, structural and magnetic properties of Mn3Ga/Co2YZ Heusler superlattices are investigated in order to combine ultralow Gilbert damping coefficient, minority spin band gap and perpendicularly magnetized heterostructures, another requirement for low energy consumption devices. Through the present work, we aim to prove that Heusler compounds provide an excellent playground to study fundamental magnetism and offer a pathway for future materials design.