Comprendre la nature fondamentale de la transition vitreuse et des solides amorphes est au cœur d’un vaste effort de recherche. La description théorique des solides vitreux reste essentielle- ment phénoménologique. Ce travail explore l’hypothèse selon laquelle une nouvelle phase amorphe de la matière expliquerait naturellement leurs propriétés physiques. Nous analysons la thermodynamique des verres dans la limite de dimension infinie. Cette théorie exacte de champ moyen prédit deux phases vitreuses, une "simple" et une "marginalement stable", séparées par une transition de Gardner. Nous démontrons que les verres sont marginalement stables dans une grande variété de conditions physiques, couvrant des régimes pertinents pour décrire la matière granulaire, les mousses, les émulsions, les colloïdes durs et mous, ainsi que les verres moléculaires. Nous confrontons nos prédictions théoriques à des simulations numériques en trois dimensions. Nous développons un algorithme numérique efficace qui crée des verres très stables. Nous montrons que les verres colloïdaux et granulaires sont marginalement stables: ils évoluent dans un paysage hiérarchique et présentent des excitations délocalisées de basse énergie. Dans ce régime, des variations cycliques de la température donnent lieu à des effets de rajeunissement et de mémoire, précédemment observés dans les verres de spin. En revanche, le comportement des verres moléculaires est régi par des défauts localisés, dont les propriétés quantiques à basse température sont également analysées. Nous étudions le rôle de l’entropie configurationnelle dans le ralentissement dynamique qui accompagne la formation du verre. Nous mesurons l’entropie configurationnelle dans des liquides à très basse température, et analysons les théories thermodynamiques de la transition vitreuse.

Comprendre et soigner les pathologies respiratoires chroniques constituent des enjeux médicaux croissants du fait des modifications de nos modes de vie et de notre environnement. L’épithélium des voies respiratoires assure le rôle de première barrière contre les agressions extérieures grâce à la fonction muco-ciliaire. Les deux éléments fonctionnels de la fonction muco-ciliaire sont la couche de mucus sécrétée par l’épithélium et le battement des cils des cellules ciliées qui contribue à la mise en mouvement de cette couche et à son évacuation des bronches. Le mucus est un fluide complexe et hétérogène et ses propriétés mécaniques couplées aux mécanismes de coordination des cils restent encore mal compris. Mes travaux de thèse ont porté sur une approche biophysique de ces mécanismes. Premièrement, l’étude de la rhéologie du mucus a été menée à deux échelles : en macro-rhéologie de cisaillement et par micro-rhéologie active grâce aux pincettes optiques. Les pincettes optiques permettent également des mesures in situ sur le tissu et des mesures d’adhésion. L’utilisation de la rhéologie comme marqueur des pathologies respiratoires chroniques a été explorée. Deuxièmement, la quantification et la compréhension de la coordination spatiotemporelle de l’activité ciliaire et du transport du mucus engendré ont été conduites, en développant un nouvel outil de traitement d’images de vidéo-microscopie et d’analyse de données.

Ce travail porte sur l’étude optique de la dynamique de spin de deux systèmes: un gaz d’électrons dans des couches minces de CdTe d’une part et des excitons indirects dans un double puits quantique asymétrique en GaAs d’autre part. Des mesures de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, et des mesures de spectroscopie pompe-sonde ont permis la détermination des temps de vie et des temps de relaxation de spin des excitons indirects. Le comportement général de la structure a été décrit, les contraintes techniques ont été mise en évidence et les meilleures conditions expérimentales ont été identifiées. En photoluminescence, nous avons mesuré des temps de vie de l’ordre de la quinzaine de ns et des temps de relaxation de spin de 5 ns dans le meilleur cas. L’utilisation d’un setup de spectroscopie pompe-sonde permettant d’étudier des délais très longs a démontré que des temps plus longs encore peuvent être atteints en séparant d’avantage deux impulsions lasers successives.Pour les électrons dans CdTe nous avons utilisé une autre méthode optique: la spectroscopie de bruit de spin qui s’est récemment imposée comme un outil de choix pour étudier la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Son principe consiste à sonder la dynamique d’un système de spins à travers ses fluctuations spontanées. Pour ce faire, ces fluctuations sont encodées dans le plan de polarisation d’un laser hors résonnant par l’intermédiaire de la rotation Faraday.Alors que les réalisations concrètes de cette technique se limitaient jusqu’à présent aux corrélations temporelles, nous proposons ici la première implémentation permettant d’accéder également aux corrélations spatiales du systèmes de spin. Cet accès à la dynamique spatiale est autorisé par une sélectivité en vecteur d’onde de la lumière diffusée venant de l’échantillon et nous offre l’opportunité de mesurer simultanément le temps de relaxation de spin et le coefficient de diffusion de spin. Ayant ainsi une vision complète de la dynamique de spin dans CdTe, nous avons pu confronter la physique du spin bien connue dans GaAs à nos observations dans CdTe. Contre toutes attentes, il semblerait que nos connaissances de GaAs ne soient pas directement transposables à CdTe.

Les organismes cellulaires apparaissent organisés. Les bactéries utilisent des compartiments sans membrane pour confiner les réactions chimiques dans l'espace et le temps. Il existe un paradigme général de l'auto-organisation de l'espace intracellulaire qui distingue les auto-assemblages, structures moléculaires assemblées par des mécanismes passifs de transition de phase, et les structures dissipatives, engendrés par exemple par des processus de réaction-diffusion. Si les auto-assemblages correspondent à l'évolution vers l'équilibre thermodynamique, les structures dissipatives sont des manifestations d'une dépense d'énergie hors équilibre thermodynamique. Nous illustrons ce paradigme en étudiant la ségrégation du matériel génétique chez les bactéries, en l'occurrence celle du plasmide F de Escherichia coli qui repose sur le système de partition ParABS. La ségrégation est une étape cruciale du cycle cellulaire bactérien puisqu'elle assure la transmission de l'information génétique dans les bactéries filles avant la division. Le système ParABS est constitué d'une séquence centromérique parS ; d'une protéine ParB capable de se lier à l'ADN, spécifiquement sur la séquence parS et non-spécifiquement ailleurs ; d'une protéine ATPase ParA capable de se lier à l'ADN. Les interactions entre protéines ParB sur l'ADN et l'adsorption spécifique sur la séquence parS mène à la formation d'un foyer tridimensionnel appelé complexe ParBS localisé autour de la séquence parS. Les interactions entre protéines ParA et ParB mènent au positionnement de ce complexe au centre du milieu cellulaire. Après réplication, deux complexes ParBS existent et son ségrégés par l'action des protéines ParA aux positions 1/4 et 3/4 de l'espace intracellulaire.Nous cherchons d'abord à expliquer la formation des complexes ParBS par un mécanisme passif de séparation de phase entre états de haute et basse densité en protéines ParB dans l'espace. Nous construisons deux modèles de physique statistique à l'aide d'outils empruntés à la physique des transitions de phase. Notre deuxième approche définit rigoureusement tous les éléments du système biologique constitué de l'ADN-polymère et des protéines ParB en interaction et nous permet de formuler un critère d'existence de transition de phase du premier ordre qui est vérifié par l'ADN. Nous parvenons à tracer les diagrammes de phase de cette transition. Ces deux modèles nous permettent d'argumenter que le régime thermodynamique physiologique de ce système biologique est un régime de coexistence métastable en protéines ParB sur l'ADN. La séquence parS joue le rôle d'un défaut ou d'une graine de nucléation. Nous utilisons une troisième approche pour expliciter le lien entre les distributions tridimensionnelle et sur l'ADN des protéines ParB autour de la séquence parS. Nous cherchons à expliquer les courbes de recouvrement de fluorescence issus d'expériences de photoblanchiment sur les complexes ParBS. Nous construisons une méthode de photoblanchiment in silico, c'est-à-dire que nous reproduisons ces courbes de recouvrement à partir d'une équation phénoménologique résolue numériquement. Nous développons un système d'équations qui décrivent l'évolution des protéines sur l'ADN à partir de l'approche physique statistique précédente pour produire un photoblanchiment in silico prenant en compte que les complexes ParBS sont issus d'une séparation de phase. Nous montrons qu'un pur système passif ne permet pas de faire des expériences de photoblanchiment à cause de la maturation d'Ostwald subie par les complexes. Nous corrigeons cette approche pour inclure les protéines ParA et leur cycle biochimique dans nos simulations. Nous montrons ainsi que les interactions entre les protéines ParA et ParB et l'hydrolyse de l'ATP permet la survie de plusieurs complexes ParBS grâce à un mécanisme d'inversion du murissement d'Ostwald. Cette approche fondamentale permet d'expliquer le positionnement des complexes ParBS durant la ségrégation.

Dipolar, or indirect excitons (IXs) offer a rich playground for both design of novel optoelectronic devices and fundamental many-body physics. Wide GaN/(AlGa)N quantum wells host a new and promising realization of such excitons. Indeed, compared to their counterparts in GaAs-based heterostructures, IXs in nitrides possess two key advantages. They have higher binding energies, and they are “naturally” indirect. This means, that they can be engineered and manipulated in as-grown heterostructures, even without application of an external electric bias. In this work we demonstrate (i) the propagation of IXs over hundreds of micrometers in the plane of GaN/(AlGa)N quantum wells, (ii) confinement and cooling of these excitons, when trapped in the electrostatic potential created by semitransparent electrodes of various shapes deposited on the sample surface (iii) the electrical control of the IX fluxes via an applied gate voltage. Once confined, the exciton fluid accumulates in uniform zones. By modeling the emission spectra of these zones, we get insight into the thermodynamic properties of the thermalized exciton fluid. These results constitute a prerequisite for realization of the GaN-based excitonic devices, as well for studies of the complex phase diagram of these dipolar bosons at low temperature.

Dipolar, or indirect excitons (IXs) offer a rich playground for both design of novel optoelectronic devices and fundamental many-body physics. Wide GaN/(AlGa)N quantum wells host a new and promising realization of such excitons. Indeed, compared to their counterparts in GaAs-based heterostructures, IXs in nitrides possess two key advantages. They have higher binding energies, and they are “naturally” indirect. This means, that they can be engineered and manipulated in as-grown heterostructures UP TO ROOM TEMPERATURES, even without application of an external electric bias. In this work we demonstrate (i) the propagation of IXs over hundreds of micrometers in the plane of GaN/(AlGa)N quantum wells, (ii) confinement and cooling of these excitons, when trapped in the electrostatic potential created by semitransparent electrodes of various shapes deposited on the sample surface (iii) the electrical control of the IX fluxes via an applied gate voltage. These results constitute a prerequisite for realization of the GaN-based excitonic devices, as well for studies of the complex phase diagram of these dipolar bosons at low temperature.

Porphyrin nanorods were prepared by ion-association between free-base meso 5,10,15,20-tetrakis-(4-N-methylpyridinium)porphyrin cations and tetraphenylborate anions. The nanorods have variable lengths (up to a few micrometers long) and diameters (∼50–500 nm). Their structure at the molecular level was elucidated by combining multinuclear solid state NMR spectroscopy, synchrotron X-ray powder diffraction and DFT calculations.