Étude, par principes premiers, des effets de la corrélation entre électrons sur les propriétés électroniques et magnétiques de polymères pontés et de supraconducteurs à haute température critique

La présente thèse traite de la description de systèmes complexes, notamment des polymères et des cuprates, par la théorie de la fonctionnelle de la densité. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de la densité ainsi que différentes fonctionnelles utilisées pour simuler les matériaux à l’étude sont présentées. Plus spécifiquement, les fonctionnelles LDA et GGA sont décrites et leurs limites sont exposées. De plus, le modèle de Hubbard ainsi que la fonctionnelle LDA+U qui en découle sont abordés dans ce chapitre afin de permettre la simulation des propriétés de matériaux à forte corrélation électronique. Par la suite, les résultats obtenus sur les polymères sont résumés par deux articles. Le premier traite de la variation de la bande interdite entre les polymères pontés et leurs homologues non pontés. Le second se penche sur l’étude de polymères à faible largeur de bande interdite. Dans ce dernier, il sera démontré qu’une fonctionnelle hybride, contenant de l’échange exact, est nécessaire afin de décrire les propriétés électroniques des systèmes à l’étude. Finalement, le dernier chapitre est consacré à l’étude des cuprates supraconducteurs. La LDA+U pouvant rendre compte de la forte localisation dans les orbitales 3d des atomes de cuivre, une étude de l’impact de cette fonctionnelle sur les propriétés électroniques est effectuée. Un dernier article investiguant différents ordres magnétiques dans le La2CuO4 dopé termine le dernier chapitre. On trouve aussi, en annexe, un complément d’information pour le second article et une description de la théorie de la supraconductivité de Bardeen, Cooper et Schrieffer.

Étude DFT+U des phases structurales du La2CuO4

Ce mémoire traite des propriétés du La2CuO4 dopé en trous, le premier supraconducteur à haute température critique ayant été découvert. Les différentes phases électroniques du cristal y seront présentées, ainsi que le diagramme de phases en dopage de ce matériau. Les trois structures dans lesquelles on peut retrouver ce cristal seront décrites en détail, et leurs liens présumés avec les phases électroniques seront présentés. Il s’en suivra une étude utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité combinée au modèle de Hubbard (DFT+U) des différentes phases structurales, en plus des phases antiferromagnétiques et paramagnétiques. L’effet de la corrélation électronique sur la structure cristalline sera également étudié par l’intermédiaire du paramètre de Hubbard. Le but sera de vérifier si la DFT+U reproduit bien le diagramme de phases expérimentales, et sous quelles conditions. Une étude des effets de l’inclinaison des octaèdres d’oxygène sur la structure électronique sera également présentée.

Analyse des propriétés électroniques de supraconducteurs à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau.

Elaboration et caractérisation des nanocristaux de Zn F O enfouis 1-x x dans des diélectriques pour des applications en spin-électronique

Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Física

Optimisation de la cryo microscopie électronique pour les études des minicercles d'ADN

RESUME : Bien que les propriétés physiques de la structure de l'ADN aient été intensivement étudiées pendant plus de 50 ans il y a encore beaucoup de questions importantes qui attendent des réponses. Par exemple, qu'arrive-t-il à la structure de la double hélice d'ADN nue (sans protéines liées) lorsqu'elle est fortement courbée, de la même manière que dans les nucléosomes? Cet ADN nu est-il facilement plié (il reste dans le régime élastique) ou réduit-il la contrainte de flexion en formant des sites hyperflexibles «kinks» (il sort du régime élastique en cassant l'empilement des paires de bases à certains endroits) ? La microscopie électronique peut fournir une réponse à cette question par visualisation directe des minicercles d'ADN de la longueur d'un tour de nucléosome (environ 90 paires de bases). Pour que la réponse soit scientifiquement valide, on doit observer les molécules d'ADN lorsqu'elles sont en suspension dans la solution d'intérêt et sans que des colorations, produits chimiques ou fixatifs n'aient été ajoutés, étant donné que ceux-ci peuvent changer les propriétés de l'ADN. La technique de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) développée par le groupe de Jacques Dubochet au début des années 80, permet la visualisation directe des molécules d'ADN suspendues dans des couche minces vitrifiées de solutions aqueuses. Toutefois, le faible contraste qui caractérise la cryo-EM combinée avec la très petite taille des minicercles d'ADN rendent nécessaire l'optimisation de plusieurs étapes, aussi bien dans la préparation des échantillons que dans le processus d'acquisition d'images afin d'obtenir deux clichés stéréo qui permettent la reconstruction 3-D des minicercles d'ADN. Dans la première partie de ma thèse, je décris l'optimisation de certains paramètres pour la cryoEM et des processus d'acquisition d'image utilisant comme objets de test des plasmides et d'autres molécules d'ADN. Dans la deuxième partie, je .décris comment j'ai construit les minicercles d'ADN de 94 bp et comment j'ai introduit des modifications structurelles comme des coupures ou des lacunes. Dans la troisième partie, je décris l'analyse des reconstructions des rninicercles d'ADN. Cette analyse, appuyée par des tests biochimiques, indique fortement que des molécules d'ADN sont capables de former de petites molécules circulaires de 94 bp sans dépasser les limites d'élasticité, indiquant que les minicercles adoptent une forme circulaire régulière où la flexion est redistribuée le long la molécule. ABSTRACT : Although physical properties of DNA structure have been intensively studied for over 50 years there are still many important questions that need to be answered. For example, what happens to protein-free double-stranded DNA when it is strongly bent, as in DNA forming nucleosomes? Is such protein-free DNA smoothly bent (i.e. it remains within elastic limits of DNA rigidity) or does it release its bending stress by forming sharp kinks (i.e. it exits the elastic regime and breaks the stacking between neighbouring base-pairs in localized regions)? Electron microscopy can provide an answer to this question by directly visualizing DNA minicircles that have the size of nucleosome gyres (ca 90 bp). For the answer to be scientifically valid, one needs to observe DNA molecules while they are still suspended in the solution of interest and no staining chemicals or fixatives have been added since these can change the properties of the DNA. CryoEM techniques developed by Jacques Dubochet's group beginning in the 1980's permit direct visualization of DNA molecules suspended in cryo-vitrified layers of aqueous solutions. However, a relatively weak contrast of cryo-EM preparations combined with the very small size of the DNA minicircles made it necessary to optimize many of the steps and parameters of the cryo-EM specimen preparation and image acquisition processes in order to obtain stereo-pairs of images that permit the 3-D reconstruction of the observed DNA minicircles. In the first part of my thesis I describe the optimization of the cryo-EM preparation and the image acquisition processes using plasmid size DNA molecules as a test object. In the second part, I describe how I formed the 94 by DNA minicircles and how I introduced structural modifications like nicks or gaps. In the third part, I describe the cryo-EM analysis of the constructed DNA minicircles. That analysis, supported by biochemical tests, strongly indicates that DNA minicircles as small as 94 by remain within the elastic limits of DNA structure, i.e. the minicircles adopt a regular circular shape where bending is redistributed along the molecules.

Organisation structurale du noyau et de microtubules de cellules de mammifères observés par cryo-microscopie électronique de sections hydratées

RESUME L'architecture nucléaire ainsi que l'ultrastructure des microtubules ont été abondamment étudiées par des méthodes cytochimiques utilisant des échantillons fixés chimiquement, enrobés dans des résines ou fixés à basse température. Les échantillons fixés à basse température pouvant aussi avoir été substitués, déshydratés et enrobés dans des résines pour la plupart hydrophiles. Ici, nous avons étendu ces études en utilisant la microscopie électronique effectuée sur des sections hydratées (CEMOVIS) permettant d'observer les échantillons dans un état le plus proche de leur état natif. De plus, nous avons effectué de la tomographie électronique sur des sections hydratées (TOVIS) afin d'obtenir une vision tridimensionnelle de : 1) la périphérie du noyau et de la région périchromatinienne et 2) de la lumière des microtubules. Concernant l'architecture nucléaire Nos observations montrent que le nucléole et la chromatine condensée sont facilement visualisés grâce à la texture spécifique qu'ils arborent. Au contraire, la visualisation de domaines nucléaires importants et spécialement ceux qui contiennent des ribonucléoprotéines, est rendue difficile, à cause du faible contraste qui caractérise l'espace interchromatinien. Ceci est essentiellement dû à la quantité d'information présente dans le volume de la section qui semble être superposée, lorsque observée sur des micrographies en deux dimensions. La tomographie nous a permis de mieux visualiser les différentes régions du noyau. Les mottes de chromatine condensée sont décorées à leur périphérie (région périchromatinienne), par nombre de fibrilles et granules. Des tunnels d'espace interchromatinien sont occasionnellement observés en train de traverser des régions de chromatine condensée favorisant l'accès aux pores nucléaires. Enfin, nous avons pu, au niveau d'un pore unique, observer la plupart des structures caractéristiques du complexe de pore nucléaire. Concernant l'ultrastructure des microtubules: Nous avons démontré que la polarité d'un microtubule observé in situ en section transversale, par CEMOVIS, est directement déduite de l'observation de la chiralité de ses protofilaments. Cette chiralité, a été établie précédemment comme étant liée à la morphologie des sous unités de tubuline. La tomographie électronique effectuée sur des sections hydratées, nous a permis d'observer les microtubules dans leur contexte cellulaire avec une résolution suffisante pour visualiser des détails moléculaires, comme les monomères de tubuline. Ainsi, des molécules n'ayant pas encore été caractérisées, ont été observées dans la lumière des microtubules. Ces observations ont été effectuées autant sur des cellules observées en coupe par CEMOVIS que sur des cellules congelées dans leur totalité par immersion dans un bain d'éthane liquide. Enfin, nous avons montré que les microtubules étaient aussi de formidables objets, permettant une meilleure compréhension des artéfacts de coupe occasionnés lors de la préparation des échantillons par CEMOVIS. Les buts des études qui seront menées â la suite de ce travail seront de 1) essayer de localiser des domaines nucléaires spécifiques par des approches cytochimiques avant la congélation des cellules. 2) Appliquer des méthodes de moyennage afin d'obtenir un modèle tridimensionnel de la structure du complexe de pore nucléaire dans son contexte cellulaire. 3) Utiliser des approches biochimiques afin de déterminer la nature exacte des particules qui se trouvent dans la lumière des microtubules. ABSTRACT Nuclear architecture as well as microtubule ultrastructure have been extensively investigated by means of different methods of ultrastructural cytochemistry using chemically fixed and resin embedded samples or following cryofixation, cryosubstitution and embedding into various, especially partially hydrophilic resins. Here, we extend these studies using cryoelectron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) which allows one to observe the specimen as close as possible to its native state. Furthermore, we applied cryoelectron tomography of vitreous sections (TOVIS) in order to obtain athree-dimensional view of: 1) the nuclear periphery, and of the perichromatin region, and 2) the microtubule lumen. Concerning the nuclear architecture: Our observations show that nucleoli and condensed chromatin are well recognisable due to their specific texture. Conversely, the visualisation of other important nuclear domains, especially those containing ribonucleoproteins, is seriously hampered by a generally low contrast of the interchromatin region. This is mainly due to the plethora of information superposed in the volume of the section observed on two-dimensional micrographs. Cryoelectron tomography allowed us to better visualise nuclear regions. Condensed chromatin clumps are decorated on their periphery, the perichromatin region, by numerous fibrils and granules. Tunnels of interchromatin space can occasionally be found as crossing condensed chromatin regions, thus, allowing the access to nuclear pores. Finally, we were able to use TOVIS to directly distinguish most of the nuclear pore complex structures, at the level of a single pore. Concerning the microtubule ultrastructure: We have demonstrated that the polarity of across-sectioned microtubule observed in situ by CEMOVIS wás directly deducible from the visualisation of the tubulin protofiíaments' chirality. This chirality has been established before as related to the shape. of the tubulin subunits. Cryoelectron tomography allowed us to observe microtubules in their cellular context at a resolution sufficient to resolve molecular details such as their tubulin monomers. In this way, uncharacterized molecules were visualised in the microtubule lumen. These observations were made either on samples prepared by CEMOVIS or plunge freezing of whole cells. Finally, we have shown that microtubules are also relevant objects for the understanding of cutting artefacts, when performing CEMOVIS. The goals of our further studies will be to: 1) try to speciifically target different nuclear domains by cytochemical approaches in situ, prior to cryofixation. 2) Apply averaging methods in order to obtain a three-dimensional model of the nuclear pore complex at work, in its cellular context. 3) Use biochemical analysis combined in a second time to immunocytochemical approaches, to determine the exact nature of the microtubule's luminal particles.