Flux line lattice structure and behavior in antiphase boundary free vicinal YBa2Cu3O7-delta thin films

Field angle dependent critical current, magneto-optical microscopy and high resolution electron microscopy studies have been performed on YBa2Cu3O7-delta thin films grown on miscut substrates. High resolution electron microscopy images show that the films studied exhibited clean epitaxial growth with a low density of antiphase boundaries and stacking faults. Any antiphase boundaries (APBs) formed near the film substrate interface rapidly healed rather than extending through the thickness of the film. Unlike vicinal films grown on annealed substrates, which contain a high density of antiphase boundaries, magneto-optical imaging showed no filamentary flux penetration in the films studied. The flux penetration is, however, asymmetric. This is associated with intrinsic pinning of flux strings by the tilted a-b planes and the dependence of the pinning force on the angle between the local field and the a-b planes. Field angle dependent critical current measurements exhibited the striking vortex channeling effect previously reported in vicinal films. By combining the results of three complementary characterization techniques it is shown that extended APB free films exhibit markedly different critical current behavior compared to APB rich films. This is attributed to the role of APB sites as strong pinning centers for Josephson string vortices between the a-b planes. (C) 2003 American Institute of Physics.

Mechanics of capillary forming of aligned carbon nanotube assemblies.

Elastocapillary self-assembly is emerging as a versatile technique to manufacture three-dimensional (3D) microstructures and complex surface textures from arrangements of micro- and nanoscale filaments. Understanding the mechanics of capillary self-assembly is essential to engineering of properties such as shape-directed actuation, anisotropic wetting and adhesion, and mechanical energy transfer and dissipation. We study elastocapillary self-assembly (herein called "capillary forming") of carbon nanotube (CNT) microstructures, combining in situ optical imaging, micromechanical testing, and finite element modeling. By imaging, we identify sequential stages of liquid infiltration, evaporation, and solid shrinkage, whose kinetics relate to the size and shape of the CNT microstructure. We couple these observations with measurements of the orthotropic elastic moduli of CNT forests to understand how the dynamic of shrinkage of the vapor-liquid interface is coupled to the compression of the forest. We compare the kinetics of shrinkage to the rate of evporation from liquid droplets having the same size and geometry. Moreover, we show that the amount of shrinkage during evaporation is governed by the ability of the CNTs to slip against one another, which can be manipulated by the deposition of thin conformal coatings on the CNTs by atomic layer deposition (ALD). This insight is confirmed by finite element modeling of pairs of CNTs as corrugated beams in contact and highlights the coupled role of elasticity and friction in shrinkage and stability of nanoporous solids. Overall, this study shows that nanoscale porosity can be tailored via the filament density and adhesion at contact points, which is important to the development of lightweight multifunctional materials.

Environmentally friendly synthesis of highly monodisperse biocompatible gold nanoparticles with urchin-like shape

We report a facile and environmentally friendly strategy for high-yield synthesis of highly monodisperse gold nanoparticles with urchin-like shape. A simple protein, gelatin, was first used for the control over shape and orientation of the gold nanoparticles. These nanoparticles, ready to use for biological systems, are promising in the optical imaging-based disease diagnostics and therapy because of their tunable surface plasmon resonance (SPR) and excellent surface-enhanced Raman scattering (SERS) activity.

Stereocomplexed poly(lactic acid)-poly(ethylene glycol) nanoparticles with dual-emissive boron dyes for tumor accumulation.

Responsive biomaterials play important roles in imaging, diagnostics, and therapeutics. Polymeric nanoparticles (NPs) containing hydrophobic and hydrophilic segments are one class of biomaterial utilized for these purposes. The incorporation of luminescent molecules into NPs adds optical imaging and sensing capability to these vectors. Here we report on the synthesis of dual-emissive, pegylated NPs with "stealth"-like properties, delivered intravenously (IV), for the study of tumor accumulation. The NPs were created by means of stereocomplexation using a methoxy-terminated polyethylene glycol and poly(D-lactide) (mPEG-PDLA) block copolymer combined with iodide-substituted difluoroboron dibenzoylmethane-poly(L-lactide) (BF2dbm(I)PLLA). Boron nanoparticles (BNPs) were fabricated in two different solvent compositions to study the effects on BNP size distribution. The physical and photoluminescent properties of the BNPs were studied in vitro over time to determine stability. Finally, preliminary in vivo results show that stereocomplexed BNPs injected IV are taken up by tumors, an important prerequisite to their use as hypoxia imaging agents in preclinical studies.

Iterative inversion of experimental data in weighted spaces

We present iterative algorithms for solving linear inverse problems with discrete data and compare their performances with the method of singular function expansion, in view of applications in optical imaging and particle sizing.

High-speed knots in the hourglass shaped planetary nebula Hubble 12

We present a detailed kinematical analysis of the young compact hourglass-shaped planetary nebula Hb 12. We performed optical imaging and long-slit spectroscopy of Hb 12 using the Manchester echelle spectrometer with the 2.1-m San Pedro Mártir telescope. We reveal, for the first time, the presence of end caps (or knots) aligned with the bipolar lobes of the planetary nebula shell in a deep [NII] ?6584 image of Hb 12. We measured from our spectroscopy radial velocities of ~120kms-1 for these knots. We have derived the inclination angle of the hourglass-shaped nebular shell to be ~65° to the line of sight. It has been suggested that Hb 12's central star system is an eclipsing binary which would imply a binary inclination of at least 80°. However, if the central binary has been the major shaping influence on the nebula, then both nebula and binary would be expected to share a common inclination angle. Finally, we report the discovery of high-velocity knots with Hubble-type velocities, close to the core of Hb 12, observed in Ha and oriented in the same direction as the end caps. Very different velocities and kinematical ages were calculated for the outer and inner knots showing that they may originate from different outburst events.

Shape and Rotation Modeling and Thermophysical Analysis of Near-Earth Asteroid (1917) Cuyo

We are conducting an ESO Large Program that includes optical photometry, thermal-IR observations, and optical-NIR spectroscopy of selected NEAs. Among the principal goals of the program are shape and spin-state modeling, and searching for YORP-induced changes in rotation periods. One of our targets is asteroid (1917) Cuyo, a near-Earth asteroid from the Amor group. We carried out an extensive observing campaign on Cuyo between April 2010 and April 2013, operating primarily at the ESO 3.6m NTT for optical photometry, and the 8.2m VLT at Paranal for thermal-IR imaging. Further optical observations were acquired at the ESO 2.2m telescope, the Palomar 200" Hale telescope (California), JPL’s Table Mountain Observatory (California) and the Faulkes Telescope South (Australia). We obtained optical imaging data for rotational lightcurves throughout this period, as the asteroid passed through a wide range of observational geometries, conducive to producing a good shape model and spin state solution. The preliminary shape and spin state model indicates a nearly spherical shape and a rotation pole at ecliptic longitude λ = 53° ± 20° and latitude β = -37° ± 10° (1-sigma error bars are approximate). The sidereal rotation period was measured to be 2.6899522 ± (3 × 10^-7) hours. Linkage with earlier lightcurve data shows possible evidence of a small change in rotation rate during the period 1989-2013. We applied the NEATM thermal model (Harris A., Icarus 131, 291, 1998) to our VLT thermal-IR measurements (8-19.6 μm), obtained in September and December 2011. The derived effective diameter ranges from 3.4 to 4.2 km, and the geometric albedo is 0.16 (+0.07, -0.04). Using the shape model and thermal fluxes we will perform a detailed thermophysical analysis using the new Advanced Thermophysical Model (Rozitis, B. & Green, S.F., MNRAS 415, 2042, 2011; Rozitis, B. & Green, S.F., MNRAS 423, 367, 2012). This work was performed in part at the Jet Propulsion Laboratory under a contract with NASA.

A Local Superlens

Superlenses enable near-field imaging beyond the diffraction limit. However, their widespread implementation in optical imaging technology so far has been limited by large-scale fabrication, fixed lens position and specific object materials. Here, we demonstrate that a dielectric lamella of sub-wavelength size in all three spatial dimensions behaves as a compact superlens that operates at infrared wavelengths and can be positioned to image any local microscopic area of interest on the sample. In particular, the lamella superlens may be placed in contact with any type of object and therefore enables examination of hard-to-scan samples e.g. with high topography or in liquids, without altering the specimen design. This lamella-based local superlens design is directly applicable to sub-wavelength light-based technology such as integrated optics.

Confocal and two-photon microscopy : image enhancement /

Confocal and two-photon microcopy have become essential tools in biological research and today many investigations are not possible without their help. The valuable advantage that these two techniques offer is the ability of optical sectioning. Optical sectioning makes it possible to obtain 3D visuahzation of the structiu-es, and hence, valuable information of the structural relationships, the geometrical, and the morphological aspects of the specimen. The achievable lateral and axial resolutions by confocal and two-photon microscopy, similar to other optical imaging systems, are both defined by the diffraction theorem. Any aberration and imperfection present during the imaging results in broadening of the calculated theoretical resolution, blurring, geometrical distortions in the acquired images that interfere with the analysis of the structures, and lower the collected fluorescence from the specimen. The aberrations may have different causes and they can be classified by their sources such as specimen-induced aberrations, optics-induced aberrations, illumination aberrations, and misalignment aberrations. This thesis presents an investigation and study of image enhancement. The goal of this thesis was approached in two different directions. Initially, we investigated the sources of the imperfections. We propose methods to eliminate or minimize aberrations introduced during the image acquisition by optimizing the acquisition conditions. The impact on the resolution as a result of using a coverslip the thickness of which is mismatched with the one that the objective lens is designed for was shown and a novel technique was introduced in order to define the proper value on the correction collar of the lens. The amoimt of spherical aberration with regard to t he numerical aperture of the objective lens was investigated and it was shown that, based on the purpose of our imaging tasks, different numerical apertures must be used. The deformed beam cross section of the single-photon excitation source was corrected and the enhancement of the resolution and image quaUty was shown. Furthermore, the dependency of the scattered light on the excitation wavelength was shown empirically. In the second part, we continued the study of the image enhancement process by deconvolution techniques. Although deconvolution algorithms are used widely to improve the quality of the images, how well a deconvolution algorithm responds highly depends on the point spread function (PSF) of the imaging system applied to the algorithm and the level of its accuracy. We investigated approaches that can be done in order to obtain more precise PSF. Novel methods to improve the pattern of the PSF and reduce the noise are proposed. Furthermore, multiple soiu'ces to extract the PSFs of the imaging system are introduced and the empirical deconvolution results by using each of these PSFs are compared together. The results confirm that a greater improvement attained by applying the in situ PSF during the deconvolution process.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Développement d’un système de spectroscopie infrarouge résolue temporellement pour la quantification des concentrations d’hémoglobine cérébrale

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Localisation des aires cérébrales impliquées dans le rappel de mots : validation d’un protocole d’imagerie optique

Jusqu'à récemment, les patients souffrant d'épilepsie réfractaire aux traitements médicamenteux étaient destinés à un avenir incertain. Le recours à la chirurgie comme traitement alternatif offre l'espoir de mener un jour une vie normale. Pour déterminer si un patient peut bénéficier d’une intervention chirurgicale, une évaluation complète est cruciale. Les méthodes d’évaluation préchirurgicale ont connu des progrès importants au cours des dernières décennies avec le perfectionnement des techniques d’imagerie cérébrale. Parmi ces techniques, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), aussi connue sous le nom d’imagerie optique, présente de nombreux avantages (coût, mobilité du participant, résolution spatiale et temporelle, etc.). L’objectif principal de cette étude est de développer un protocole d'évaluation préchirurgicale de la mémoire. Une tâche de mémoire verbale incluant l’encodage, le rappel immédiat et le rappel différé de listes de mots a été administrée à dix adultes sains lors d’un enregistrement en imagerie optique. Les résultats obtenus suggèrent l’activation bilatérale des aires préfrontales antérieures et dorsolatérales ainsi que des aires temporales antérieures et moyennes. Les aires préfrontales et temporales antérieures semblent modulées par les différents processus mnésiques et la position du rappel dans le temps. La première fois qu’une liste est rappelée, l’activité hémodynamique est plus élevée que lors des rappels subséquents, et ce, davantage dans l’hémisphère gauche que dans l’hémisphère droit. Cette étude constitue la première étape dans le processus de validation du protocole à des fins cliniques auprès de patients épileptiques.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.