Two pale green mutants of the green alga Chlamydomonas reinhardtii, which have been used over the years in many photosynthesis studies, the BF4 and p71 mutants, were characterized and their mutated gene identified in the nuclear genome. The BF4 mutant is defective in the insertase Alb3.1 whereas p71 is defective in cpSRP43. The two mutants showed strikingly similar deficiencies in most of the peripheral antenna proteins associated with either photosystem I or photosystem 2. As a result the two photosystems have a reduced antenna size with photosystem 2 being the most affected. Still up to 20% of the antenna proteins remain in these strains, with the heterodimer Lhca5/Lhca6 showing a lower sensitivity to these mutations. We discuss these phenotypes in light of those of other allelic mutants that have been described in the literature and suggest that eventhough the cpSRP route serves as the main biogenesis pathway for antenna proteins, there should be an escape pathway which remains to be genetically identified.

La capacité à imager des distributions de champ magnétique avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale nanométrique, est devenue d'une importance primordiale dans un grand nombre de domaines. On peut ici citer l'étude d’espèces biomagnétiques, le géomagnétisme, la matière condensée, ou la microélectronique par exemple. Cette thèse porte sur une technique d'imagerie magnétique hautement résolue qui repose sur le spin unique d'un défaut ponctuel (le centre NV) dans le diamant. Ce défaut se comporte comme une molécule individuelle fluorescente logée à l'intérieur de la matrice de diamant; à ce défaut est associé un spin qui peut être adressé optiquement. Ce spin peut être utilisé comme un magnétomètre de taille atomique: le champ magnétique au voisinage du centre NV est mesuré à partir du décalage Zeeman lu sur le spectre de résonance magnétique détecté optiquement.Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à étendre la magnétométrie NV à balayage vers un fonctionnement à des températures cryogéniques. L’élément principal du magnétomètre consiste en une sonde en diamant hébergeant un centre NV unique, qui est montée sur un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant à 4 K. Les performances de ce magnétomètre sont évaluées en cartographiant le champ magnétique produit par des couches minces ferromagnétiques. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés. Dans le régime de champ magnétique faible (< 5 mT), une cartographie quantitative des champs magnétiques de fuite peut être mise en œuvre en enregistrant le spectre de résonance de spin. Dans le régime de champ magnétique élevé (> 5 mT), la distribution du champ magnétique de fuite peut être obtenue qualitativement, en enregistrant simplement le niveau de photoluminescence du centre NV.Ce mode d'extinction de photoluminescence est ici appliqué pour explorer la physique des skyrmions magnétiques dans des couches minces ferromagnétiques. Ces structures de spin avec une aimantation tourbillonnante, sont très prometteuses pour le stockage et le traitement d'informations à l'échelle nanométrique dans les futurs dispositifs de mémoire et de logique. Nous étudions d'abord le rôle du désordre structurel et de l'histoire magnétique sur la morphologie de skyrmions magnétiques. Ces travaux sont ensuite étendus à l'étude des alliages de Heusler, une classe de matériaux ferromagnétiques à coefficient d'amortissement magnétique intrinsèquement faible. Nous démontrons la première stabilisation des skyrmions magnétiques dans ces matériaux prometteurs ainsi qu'un processus efficace de nucléation induit par le courant. Pourtant, malgré le faible coefficient d'amortissement magnétique, le déplacement des skymions induit par le courant reste limité par de forts effets de piégeage. Enfin, nous démontrons la stabilisation de skyrmions de 60 nm de diamètre sous champ magnétique externe nul et à température ambiante, dans un empilement optimisé de couches couplées par polarisation d’échange.La magnétométrie à centre NV peut également être développée suivant des configurations d'imagerie à champ large. Dans ces expériences, la sonde en diamant consiste généralement en un substrat de diamant hébergeant des centres NV près de la surface. Nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de ces sondes en diamant pour améliorer la sensibilité de ces imageurs magnétiques. Divers paramètres ont un impact sur cette sensibilité; ceux-ci incluent le contrôle de la localisation en profondeur, de la densité et de l'orientation des centres NV. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour obtenir, par dépôt chimique en phase vapeur, des centres NV à orientation préférentielle. Cette stratégie s'appuie sur un contrôle de la température de croissance effectuée sur un substrat orienté (113). Nous combinons ensuite cet effet avec l'incorporation dépendante de la température des centres NV pour produire un échantillon de diamant présentant une couche dense de centres NV préférentiellement alignés.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) ou « graphite blanc » est un semiconducteur qui possède une large bande interdite (~ 6 eV) et dont la structure cristalline est proche de celle du graphite : elle est formée par des plans d’atomes arrangés en nid d’abeilles. La liaison entre les plans est de type Van-der-Waals. En 2004, h-BN a démontré sa capacité d’émettre de manière efficace de la lumière dans l’UV profond (~200 nm) et cela sur des cristaux massifs synthétisés au Japon (NIMS). Ces résultats ont attiré l’attention de la communauté scientifique des semiconducteurs pour la possibilité de pouvoir utiliser ce matériau comme une source de lumière pour des applications dans l’UV profond. La nature de la bande interdite dans h-BN massif a été un sujet de débat pendant plus de 12 ans et elle a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. En 2016, le gap a été démontré de nature indirecte par des expériences de spectroscopie optique à 2-photons. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons ont été observés par photoluminescence dans h-BN. Dans h-BN, comme dans d’autres matériaux 2D, en passant d’un système 3D (massif) à un système 2D (monocouche), la nature du gap change. Les calculs montrent un changement d’un gap indirect (massif) vers un gap direct (monocouche). Cette transition de gap indirect-direct n’a jamais été observée dans h-BN, et en conséquence les propriétés opto-électroniques de la monocouche n’ont jamais été étudiées. Durant cette thèse, nous avons étudié pour la première fois les propriétés optiques de la monocouche de BN (mBN) par spectroscopie optique (macro-PL et réflectivité) sur des échantillons de mBN épitaxiés par MBE à haute température sur des substrats de graphite (HOPG). Nos résultats ont démontré pour la première fois la possibilité de fabriquer une monocouche de BN (3.5 Å) par MBE. Nos mesures de spectroscopie optique ont démontré la présence d’une transition optique à 6.1 eV associée à un gap direct dans la mBN.

Les matériaux antiferromagnétiques (AF) suscitent actuellement un intérêt considérable pour la conception de futurs dispositifs spintroniques à faible coût énergétique et ultra-rapides. Cependant, l’exploration de ces matériaux novateurs se heurte à des défis d’imagerie magnétique : la plupart des techniques conventionnelles de microscopie magnétique en espace réel ne peuvent pas sonder l'ordre AF aux échelles nanométriques, en raison de la compensation des moments magnétiques donnant lieu à des signaux magnétiques extrêmement faibles. Il s'agit d'un obstacle majeur à la compréhension fondamentale de l'ordre AF à l'échelle nanométrique et de sa réponse à des stimuli externes, tels que des courants polarisés en spin ou des champs électriques. Afin d’exploiter le potentiel des matériaux AF dans une nouvelle génération de dispositifs spintroniques, les capacités de contrôle et d'imagerie à l'échelle nanométrique, qui sont désormais courantes pour l’étude des matériaux ferromagnétiques, doivent être étendues aux matériaux AF. Nous prouvons dans cette thèse que la magnétométrie à balayage basée sur un défaut azote-lacune (NV) dans le diamant, convient parfaitement à l'imagerie d'ordres AF complexes à l'échelle nanométrique, sous conditions ambiantes.Un matériau prometteur pour la spintronique AF est le BiFeO3 (BFO), un multiferroïque opérant à température ambiante dans lequel l'ordre AF est intimement lié à l'ordre ferroélectrique via le couplage magnétoélectrique. La magnétométrie NV démontre ici sa capacité à imager l'ordre AF cycloïdal dans BFO en cartographiant le champ magnétique de fuite qu'il produit. Il permet également de déduire des grandeurs caractéristiques telles que la valeur du moment magnétique non compensé, mais aussi de visualiser en espace réel le lien intime entre les ordres ferroélectrique et AF. Afin que le BFO trouve sa place dans la conception de dispositifs spintroniques, les couches minces doivent être employées. L'effet de la contrainte épitaxiale sur l'ordre AF dans des couches minces de BFO est ici étudié. Il est montré que la contrainte et le contrôle électrique peuvent stabiliser une grande variété de textures de spin AF complexes dans les couches minces de BFO.Au delà d’imager le champ de fuite statique, nous montrons une nouvelle approche pour l'imagerie des textures AF qui consiste à cartographier le bruit magnétique qu'elles produisent localement plutôt que leurs champs magnétiques statiques. Cette technique exploite la forte dépendance de la photoluminescence du défaut NV sur les fluctuations magnétiques à la fréquence de résonance de spin du centre NV. Comme preuve de principe de l'efficacité de cette technique, les propriétés ajustables des antiferromagnétiques synthétiques qui hébergent des ondes de spins sont exploitées, pour stabiliser différentes textures de spin. Ces textures AF telles que les parois de domaine, les spirales de spin et les skyrmions AF sont imagées par cette technique nouvelle de relaxométrie.

Les excitons indirects dipolaires, sont des quasi-particules bosoniques dans les semi-conducteurs, composés d'un électron et d'un trou spatialement séparés mais toujours liés par interaction coulombienne. Leur grande durée de vie radiative et leur capacité à se déplacer sur de grandes distances avant leur recombinaison en font un système unique qui peut être à la fois optiquement actif mais également électriquement contrôlable. Ce système permet l'étude des propriétés fondamentales de la lumière et de la matière, mais aussi le développement de dispositifs excitoniques conceptuellement nouveaux. Les excitons dans les puits quantiques polaires en nitrure de gallium (GaN) peuvent être considérés comme des excitons naturellement indirects, en raison du fort champ électrique intrinsèque existant dans la direction de croissance cristalline. Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et une étude des excitons indirects dans des hétérostructures GaN/(Al,Ga)N, ainsi que les états collectifs, depuis la conception et la fabrication jusqu'à la spectroscopie optique de leurs états collectifs.Les principaux résultats de ce travail sont (i) la démonstration du confinement spatial dans le plan et du refroidissement des excitons indirects, lorsqu'ils sont piégés dans le potentiel électrostatique créé par des électrodes semi-transparentes de géométries diverses soigneusement conçues et déposées sur la surface de l'échantillon, qui est une condition préalable à l'étude du diagramme de phase complexe de ces bosons dipolaires à basse température ; (ii) la preuve de principe du contrôle électrique des densités et des flux d'excitons indirects dans le plan du puits quantique. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour la réalisation de dispositifs excitoniques ; (iii) les premiers points sur le diagramme de phase des bosons dipolaires, fournissant une première mise en évidence non seulement de l'existence d'un phase fortement corrélée résultant des corrélations induites à forte densité (phase de liquide dipolaire) mais aussi la dissociation (transition de Mott) de ces excitons indirects dans les hétérostructures GaN/(Al,Ga)N.

We report on the dynamics of electron spins in n-doped CdTe layers that differs significantly from the expected response derived from the studies dedicated to electron spin relaxation in n-GaAs. At zero magnetic field, the electron spin noise spectra exhibit a two-peak structure-a zero-frequency line and a satellite-that we attribute to the electron spin precession in a frozen random nuclear spin distribution. This implies a surprisingly long electron spin correlation time whatever the doping level, even above the Mott transition. Using spatiotemporal spin noise spectroscopy, we demonstrate that the observation of a satellite in the spin noise spectra and a fast spin diffusion are mutually exclusive. This is consistent with a shortening of the electron spin correlation time due to hopping between donors. We interpret our data via a model assuming that the low temperature spin relaxation is due to hopping between donors in presence of hyperfine and anisotropic exchange interactions. Most of our results can be interpreted in this framework. First, a transition from inhomogeneous to homogeneous broadening of the spin noise peaks and the disappearance of the satellite are observed when the hopping rate becomes larger than the Larmor period induced by the local nuclear fields. In the regime of homogeneous broadening the ratio between the spin diffusion constant and the spin relaxation rate has a value in good agreement with the Dresselhaus constant. In the regime of inhomogeneous broadening, most of the samples exhibit a broadening consistent with the distribution of local nuclear fields. We obtain a new estimate of the hyperfine constants in CdTe and a value of 0.10 Tesla for the maximum nuclear field. Finally, our study also reveals a puzzle as our samples behave as if the active donor concentration was reduced by several orders of magnitudes with respect to the nominal values.

In dense systems composed of numerous nanoparticles, direct simulations of near-field radiative heat transfer (NFRHT) require considerable computational resources. NFRHT for the simple one-dimensional nanoparticle chains embedded in a non-absorbing host medium is investigated from the point of view of the continuum by means of an approach combining the many-body radiative heat transfer theory and the Fourier law. Effects of the phase change of the insulator-metal transition material (), the complex many-body interaction (MBI) and the host medium relative permittivity on the characteristic effective thermal conductivity (ETC) are analyzed. The ETC for nanoparticle chains below the transition temperature can be as high as 50 times of that above the transition temperature due to the phase change effect. The strong coupling in the insulator-phase nanoparticle chain accounts for its high ETC as compared to the low ETC for the chain at the metallic phase, where there is a mismatch between the characteristic thermal frequency and resonance frequency. The strong MBI is in favor of the ETC. For SiC nanoparticle chains, the MBI even can double the ETC as compared to those without considering the MBI effect. For the dense chains, a strong MBI enhances the ETC due to the strong inter-particles couplings. When the chains go more and more dilute, the MBI can be neglected safely due to negligible couplings. The host medium relative permittivity significantly affects the inter-particles couplings, which accounts for the permittivity-dependent ETC for the nanoparticle chains.