Projets

Pour déterminer si l’évolution est répétable ou contingente, il faut étudier des adaptations parallèles (des évènements indépendants d’adaptation à la même niche écologique). Les champignons du fromage sont d’excellents modèles pour ce genre d’étude car plusieurs espèces ont été sélectionnées par l’Homme pour fabriquer des fromages. Ces évènements récents d’adaptation ont eu lieu sous forte sélection humaine, et sont donc idéaux pour déterminer les processus d’adaptation. De plus, les champignons sont des modèles eucaryotes avec de nombreux avantages pour des études expérimentales et génomiques. J’étudierai Geotrichum candidum pour comprendre l’histoire de sa domestication et les mécanismes d’adaptation, en utilisant des données génomiques et historiques, et des expériences au laboratoire. En comparant les résultats obtenus avec les études précédentes sur trois autres champignons du fromage, j’étudierai si ces évènements multiples d’adaptation au fromage sont convergents.

L'agriculture moderne doit faire évoluer ses pratiques pour devenir plus durable et limiter l’utilisation des intrants chimiques. Les inoculants microbiens à base de bactéries aux propriétés promotrices de croissance des plantes figurent parmi les solutions proposées. Des recherches intensives sont en cours sur des espèces bactériennes ou des consortiums d’espèces ayant des propriétés biostimulantes, c’est-à-dire favorisant directement la croissance des plantes, ou de biopesticides, c’est-à-dire empêchant le développement de maladies sur les plantes. L’un des principaux problèmes posés par l’application à grande échelle de bactéries sur des cultures ou dans des applications biotechnologiques est le risque biologique potentiel des bactéries utilisées. Le genre Burkholderia possède un grand nombre d’espèces interagissant avec des hôtes eucaryotes, allant du mutualisme à la pathogénie, dont de nombreuses espèces réputées pour leurs propriétés bénéfiques sur les plantes en tant que biostimulants ou biopesticides. Cependant, l'application de souches de Burkholderia dans des applications biotechnologiques et agroécologiques est restreinte de par la présence de pathogènes opportunistes humains au sein du genre. Afin d'exploiter pleinement le potentiel en agroécologie de ce genre, il est urgent de disposer de méthodes fiables permettant de déterminer le danger potentiel des souches pour la santé humaine et animale. Le projet BURKADAPT explorera les frontières entre les différents états écologiques de Burkholderia et découvrira les bases génétiques qui sous-tendent les différences entre mutualisme et pathogénicité chez différents hôtes. À partir de ces connaissances fondamentales, le projet développera un outil de prédiction qui permettra d’évaluer rapidement si des souches potentiellement bénéfiques présentent un risque biologique ou non, de la par la présence ou l’absence de gènes marqueurs de pathogénicité. Le premier objectif du projet est de cribler un panel de souches de Burkholderia isolées à partir de racines de riz, d'intestins d'insectes et d'infections humaines, sur leur capacité à développer des interactions symbiotiques, commensales ou pathogènes chez divers hôtes eucaryotes. Nous utiliserons Oryza sativa (riz) et Riptortus pedestris (punaise des haricots) comme modèles de symbiose chez les plantes et les insectes, ainsi que des cellules humaines, Galleria mellonella (teigne) et Danio rerio (poisson zèbre) comme modèles établis pour tester la pathogénicité. Le deuxième objectif vise à établir des répertoires de gènes spécifiques ou communs aux génomes de souches développant des interactions contrastées avec des hôtes, par des outils de génomique comparative. Dans le but d'identifier les gènes régulés et jouant un rôle dans la fitness de l’infection lors de l’interaction avec les hôtes étudiés, nous produirons des transcriptomes (RNA-seq) et ferons des cribles génétiques haut-débit (Tn-Seq) sur un panel de souches de Burkholderia sélectionnées pour leur phénotype lors de l'infection des hôtes modèles. Les gènes liés à l'infection et identifiés pour chaque hôte seront comparés au répertoire de gènes déterminé par l'analyse de génomique comparative, afin de dresser un catalogue de gènes marqueurs liés à la pathogénie ou à la symbiose. Enfin, nous proposons de développer un outil de prédiction permettant de détecter rapidement les souches présentant un risque biologique, en fonction de la présence dans leur génome des gènes marqueurs de pathogénie. L’outil de prédiction sera testé sur les collections de souches des partenaires du projet et les prédictions seront remis en cause par des tests chez les hôtes étudiés afin d’améliorer la fiabilité de l’outil. Les résultats du projet BURKADAPT contribueront à la recherche fondamentale et à la proposition de solutions permettant de rendre les souches de Burkholderia à fort potentiel agronomique et biotechnologique acceptables pour une utilisation commerciale sur le terrain.

Dans les noyaux eucaryotes, l'ADN génomique est compacté en s’enroulant autour de tétramères d'histone appelés nucléosomes. La plupart des facteurs de transcription (FT) sont incapables de se lier à leurs séquences cibles en présence de nucléosomes. Cependant, un groupe de FT appelé «pionnier» possède la capacité particulière de se lier à des régions de chromatine inactives, modifiant ainsi leur accessibilité, directement ou via le recrutement de remodeleurs de chromatine. Ces modifications du « paysage chromosomique » par les FT pionniers permettent ensuite à d'autres FT spécifiques de se lier. Par conséquent, les FT pionniers sont des déterminants importants du devenir cellulaire chez les animaux. Dans les plantes, les FT pionniers sont à peine décrits. Les plantes légumineuses telles que Medicago truncatula peuvent interagir avec des bactéries fixatrices d'azote appelée rhizobia. Cette interaction symbiotique conduit à la formation sur les racines de la plante hôte d'un nouvel organe appelé le nodule, à l'intérieur duquel l'azote atmosphérique est fixé au profit de la plante. Le FT NF-YA1 appartenant à la famille des « CCAAT-box binding factors » contrôle spécifiquement le développement des nodules. L’objectif de ce projet est de démontrer que NF-YA1 fonctionne comme un FT pionnier pour réguler la transition développementale entre racine et nodule et pour comprendre son mode d’action. Le projet sera organisé en 3 Work packages (WP) visant à démontrer différents aspects de l'activité pionnière de ce FT. Dans le WP1, nous évaluerons la capacité de NF-YA1 à réguler l’accessibilité à la chromatine, la méthylation de l’ADN et l’organisation en boucle 3D de la chromatine, caractéristiques des FT pionniers. Nous allons a) utiliser une technique appelée ATAC-seq (dosage de la chromatine accessible par transposase suivie de séquençage) pour évaluer l'occupation des nucléosomes dans les nodules mutants WT et nf-ya1-1; b) estimer la méthylation de l'ADN, à l'échelle du génome, en utilisant le BS-seq (conversion bisulfite suivie de séquençage) à nouveau dans les nodules mutants WT et nf-ya1-1 ; et c) appliquer des approches de capture de la conformation chromosomique pour estimer le rôle de NF-YA1 sur la topologie de la chromatine dans les nodules. Dans le WP2, nous identifierons et caractériserons les modificateurs de chromatine potentiels interagissant avec NF-YA1. Nous effectuerons tout d’abord des expériences d’IP/MS (immunoprécipitation suivie de spectrométrie de masse). Alternativement, nous établirons des techniques de marquage basées sur la turbo ID, afin de rechercher des interactions protéine-FT transitoires ou plus faibles. Comme il a déjà été démontré que les protéines DELLA interagissent avec les complexes NF-YA1, l’implication de cette interaction sur l’accessibilité à la chromatine sera également testée, de même que la coopération de NF-YA1 avec un autre type de TF pionnier potentiel lié à la signalisation des cytokinines. Des interactions sélectionnées seront confirmées in planta par le biais de tests BiFC (complémentation de fluorescence bimoléculaire) ainsi que FRET / FLIM (transfert d'énergie de fluorescence / imagerie de durée de vie fluorescente). Le WP3 est consacré à l'identification et à la caractérisation d'ARN longs non codants (lncARN) régulant potentiellement NF-YA1. Une combinaison d'approches ouvertes et ciblées sera également utilisée pour a) isoler des molécules d'ARNnc interagissant avec NF-YA1 à l'aide d'expériences RIP (immunoprécipitation d'ARN) sur des nodules isolés et b) valider des interactions sélectionnées de NF-YA1 avec des ARNnc co-régulés à l'aide du TriFC (complémentation de fluorescence tri moléculaire). Ces résultats démontreront l’impact de NFA1 sur la reconfiguration du paysage épigénétique lors de la transition développementale racine-nodule. Au final, ce projet devrait nous permettre de mieux comprendre le mode d’action novateur d’un facteur de transcription pionnier chez les plantes.

Le projet ChromCO a pour but d’étudier l’impact des modifications d’histone et du remodelage de la chromatine sur la formation des ‘Crossing-Over’ (CO) au cours de la méiose, principal mécanisme permettant de générer de la diversité génétique. Il sera réalisé sur deux espèces de Brassicacées: l’espèce modèle Arabidopsis thaliana et l’une des principales espèces cultivées oléagineuses dans le monde (le colza, Brassica napus). Des études récentes ont commencé à révéler l’importance des modifications chromatiniennes sur la distribution des COs. De plus, nos résultats non-publiés ont révélé qu’un gène ‘INO’, codant pour un facteur de remodelage de la chromatine ATP-dépendant, joue un rôle répressif sur la fréquence des COs chez Arabidopsis. La protéine INO est conservée mais codée par trois gènes homologues chez le colza. Au sein de ce projet, nous proposons d’élucider en détail la fonction d’INO mais aussi d’aborder des questions fondamentales et émergentes en biologie sur les mécanismes de la modification d’histone et du remodelage de la chromatine dans la formation de COs. Ce projet s’appuiera sur des approches multi-disciplinaires (CRISPR-Cas9, cartographie génétique et génomique, microscopie, immuno-marquage, cytologie) maîtrisées dans les laboratoires des trois principaux investigateurs, permettant de caractériser fonctionnellement les gènes INO et de grandement améliorer nos connaissances sur le rôle des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine dans la formation des COs le long des chromosomes. Plus particulièrement, en plus des plusieurs mutants dont nous disposons déjà et que nous allons caractériser en détail, nous allons éditer les trois gènes INO présents chez le colza par des approches CRISPR-Cas9. Par la suite, l’impact des pertes de fonction INO sur la fréquence et la distribution des COs sera déterminé à l’échelle globale du génome par cartographie génétique. Des nouvelles connaissances sur les fonctions de(s) gène(s) INO et leurs interactions fonctionnelles avec des gènes méiotiques (RECQ4, HEI10/HEIP1) ou d’autres régulateurs chromatiniens (SWR1, NRPs, SDG8, SDG2, HUB2) seront acquises par des approches génétiques et des analyses moléculaires. L’immuno-marquage et la microscopie seront utilisés afin d’analyser pendant la méiose des marqueurs dits épigénétiques, i.e. r-H2A.X, H2A.Z et H3 méthylé, chez les mutants par rapport au témoin sauvage. De plus, les modifications de la distribution des cassures double-brins de l’ADN (CDBs ; qui initient la recombinaison) et des COs observées chez le mutant seront analysées pour vérifier une corrélation éventuelle avec des profils des modifications chromatiniennes, telles que les méthylations d’histone (H3K4, H3K9, H3K27 et H3K36) et/ou des variants d’histone (H2A.Z, H3.3, H2A.W) disponible chez l’Arabidopsis, à l’échelle du génome. Ce projet permettra d’éclairer de façon originale: i) le rôle du remodelage de la chromatine dans la formation des COs; ii) le mode d‘action du gène INO pour remodeler la chromatine et réguler la formation de COs; iii) l’impact des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine sur la distribution des CDBs et COs à l’échelle du génome; iv) la conservation ou la différence du mécanisme de remodelage de la chromatine pour la formation de COs entre deux espèces très différentes au niveau du nombre et de la complexité des chromosomes: l'une diploïde (Arabidopsis thaliana; 2n = 10) et l’autre allotétraploïde (Brassica napus; AACC, 2n = 38). Les résultats obtenus de ce projet auront un impact prépondérant dans l’acquisition de nouvelles connaissances fondamentales et appliquées. En effet, la compréhension des mécanismes permettant d’augmenter la fréquence de COs permettra aux sélectionneurs d’optimiser les schémas de création variétale. Une meilleure connaissance des COs entre chromosomes homologues (A et A ou C et C) et homoleologues (A et C) nous aiderait à comprendre la formation d’une espèce hybride comme le colza.

L'augmentation de la demande mondiale de produits carnés conjuguée aux changements globaux nous obligent à repenser nos systèmes de production. Il est nécessaire de réduire la pression des élevages sur les écosystèmes, d'améliorer la sécurité alimentaire et sanitaire et de prendre en compte le bien-être des animaux. Pour atteindre ces objectifs, une meilleure connaissance du lien entre génotype et phénotype est nécessaire. Le développement d'outils cellulaires efficaces est essentiel pour répondre à ce nouveau défi car ceux-ci sont plus adaptés pour générer de grandes quantités de données biologiques à travers des criblages et des analyses fonctionnelles automatisées. De plus, ils sont mieux acceptés socialement et éthiquement, plus sûrs en terme de biosécurité et ils réduisent le besoin d'expérimentation animale en accord avec la règle des 3R. Au sein des différentes stratégies qui peuvent être mises en œuvre, la production et l'utilisation de cellules souches pluripotentes (PSC) sont idéales car ces cellules peuvent se différencier in vitro et in vivo vers tous les lignages cellulaires et leur génome peut être facilement manipulé ou édité. Ces caractéristiques font des PSCs des outils cellulaires performants pour évaluer la causalité de variants génétiques associés à des traits complexes et des phénotypes cellulaires spécifiques. Cependant, malgré les progrès réalisés chez la souris et le rat pour produire des PSCs, leur établissement chez le porc pose toujours problème notamment car leur état pluripotent repose sur l'expression continue de facteurs exogènes. Ceci a un impact sur leur potentiel de différenciation et limite fortement leur utilisation pour le phénotypage ex vivo et in vitro. Le fait que la production de vraies cellules pluripotentes chez le porc reste impossible par des procédures standard soulève de nombreuses questions sur les mécanismes moléculaires contrôlant la pluripotence chez cette espèce. Il est possible que les voies de signalisation moléculaires nécessaires au maintien de la pluripotence ne soient pas conservées ou que les cellules pluripotentes induites soient improprement reprogrammées et portent des barrières épigénétiques limitant leur pluripotence. Nous proposons d'évaluer les deux hypothèses chez le porc, en considérant le microenvironnement spécifique de l’embryon préimplantatoire porcin. Nous caractériserons les profils épigénomiques de blastocystes porcins aux échelles unicellulaires et tissulaires et le protéome des fluides utérins aux stades embryonnaires correspondants. Nous intègrerons ces informations avec les données transcriptomiques déjà disponibles pour inférer des réseaux de régulation qui contrôlent la pluripotence dans le blastocyste porcin (Tâche 1). En parallèle nous produirons des lignées cellulaires intégrant des rapporteurs fluorescents pour tracer la pluripotence endogène (Tâche 2) et nous utiliserons ces outils innovants (lignées reportrices et données omiques) pour réaliser un criblage de petites molécules et cytokines capables de soutenir la pluripotence in vitro et l'auto-renouvellement cellulaire (Tâche 4). Une fois défini, nous utiliserons ce système de culture optimisé pour améliorer le processus de reprogrammation (Tâche 3). Notre but est d’éliminer les barrières épigénétiques résiduelles par la définition de nouveaux cocktails de facteurs de reprogrammation et de modificateurs épigénétiques (identifiés via la Tâche 1). Nous proposons enfin de confirmer l'état pluripotent des lignées cellulaires produites au cours de ce projet par une caractérisation moléculaire complète et en évaluant leur capacité à coloniser des embryons receveurs (Tâche 5). En résumé, notre projet intègre différentes approches (descriptives, fonctionnelles et expérimentales) pour permettre la production de véritables cellules souches pluripotentes porcines.

Les champignons sont les principaux agents pathogènes des plantes, et ont un fort impact sur l’économie, la santé humaine et l’environnement. Pendant l’infection, les agents pathogènes, dont les champignons, sécrètent un arsenal de molécules, appelées effecteurs, éléments clés de la pathogénie. Leptosphaeria maculans, agent de la nécrose du collet du colza, infecte son hôte en deux étapes : une étape précoce sur jeunes feuilles de colza à l’automne et une étape tardive sur tiges de colza au printemps. Ces deux étapes sont associées à deux vagues d’expression de gènes codant des effecteurs. Les gènes codant des effecteurs exprimés au cours de l’infection précoce (effecteurs « précoces ») sont localisés dans des régions riches en éléments transposables (ET) du génome de L. maculans alors que les gènes codant des effecteurs exprimés au cours de l’infection des tiges (effecteurs « tardifs ») sont localisés dans des régions riches en gènes. Une carte de la structure de la chromatine a été récemment obtenue chez L. maculans, en condition de croissance végétative, par une approche de ChIP-seq permettant l’identification des régions euchromatiniennes (enrichies en di-méthylation de la lysine 4 de l’histone H3 ; H3K4me2) et des régions hétérochromatiniennes (enrichies en triméthylation de la lysine 9 et 27 de l’histone H3 ; H3K9me3 et H3K27me3). L’analyse des données a montré que les régions riches en ETs et les gènes codant des effecteurs « précoces » étaient enrichis en H3K9me3. Au contraire, la modification H3K27me3 est trouvée dans les régions riches en gènes et souvent associée aux gènes codant des effecteurs « tardifs ». Cette association de deux groupes de gènes codant des effecteurs, exprimés à différents moments de l’infection et dans des organes différents de la plante, avec des modifications différentes typiques de l’hétérochromatine suggère qu’un remodelage de la structure de la chromatine serait impliqué dans la régulation de l’expression de ces gènes pendant l’infection. Notre hypothèse est que la dynamique de la chromatine, tant au niveau des modifications des histones qu'au niveau de l'organisation tridimensionnelle des chromosomes au sein du noyau, explique la reprogrammation transcriptionnelle massive de l'expression des gènes pendant le cycle de vie de L. maculans sur son hôte. L’objectif du projet CHOPIN est de décrypter la dynamique de l’épigénome de L. maculans pendant l’infection de son hôte. Jusqu’à présent, des analyses ciblées de la structure de la chromatine au cours de l’interaction hôte/champignon pathogène ont été réalisées in planta mais seule l’obtention d’une vision complète de la structure de la chromatine d’un champignon pathogène pendant l’infection de son hôte permettra de conclure quant au rôle de la dynamique de l’épigénome sur la pathogénie. Afin de pouvoir réaliser des analyses de l’épigénome du champignon in planta, une approche innovante a été développée permettant de trier, et récupérer, les noyaux du champignon à partir de matériel végétal infecté par cytométrie de flux. Nous proposons d’analyser (i) la dynamique des modifications des histones associées aux gènes codant des effecteurs précoces et tardifs ainsi que l’organisation 3-D des noyaux à différents points de l’infection du colza et (ii) le rôle de protéines impliquées dans la méthylation / déméthylation de H3K9/K27me3 dans la régulation de l’expression des gènes et l’organisation de l’épigénome en réalisant l’analyse fonctionnelle de ces protéines ; iii) l’analyse intégrative des données générées permettra de faire la lumière sur le rôle de l’épigénome dans la régulation de l’expression des gènes et de la pathogénie. En plus d’apporter des connaissances originales concernant l’interaction plante/champignon pathogène, la compréhension de cette dynamique pourra ouvrir la voie à des stratégies de sélection variétale innovantes pour un meilleur contrôle des maladies causées par des champignons phytopathogènes.

Le projet NECTAR vise à améliorer notre compréhension du développement des nectaires et de la sécrétion nectarifère en relation avec le butinage des insectes pollinisateurs, ces caractères ayant un impact direct sur le rendement en fruits, sa stabilité et les ressources alimentaires des abeilles. Le projet s’articule autour de trois axes scientifiques. Le premier axe est dédié à la caractérisation phénotypique d’accessions de melon (Cucumis melo) qui varient dans leur développement des nectaires, leur sécrétion nectarifère et le butinage des abeilles qui en résulte. Le deuxième axe vise à caractériser le réseau de gènes qui contrôlent le développement des nectaires dans les fleurs unisexuées. Le troisième axe a pour objectif de valider les concepts génétiques mis en évidence à travers leur impact sur l’activité et le comportement de butinage des abeilles. Notre défi sera de relier le modèle génétique des caractères se rapportant à la sécrétion nectarifère avec l’amélioration des interactions plantes-abeilles. NECTAR est un projet pluridisciplinaire qui rassemble des compétences reconnues en omics, génétique et les interactions plantes-insectes pollinisateurs.

Chez les espèces pérennes, le rendement et la qualité de la production sont affectés par la contrainte hydrique avec des effets interannuels marqués. Nos connaissances sur les mécanismes physiologiques et la variabilité génétique de ces réponses restent insuffisantes pour adapter les vignobles aux bouleversements attendus notamment au niveau climatique. Le plus souvent, les réponses à la contrainte hydrique n’ont été étudiées que sur un seul cycle végétatif, en considérant les caractères indépendamment les uns des autres et sur des bases génétiques restreintes. Le projet G2WAS ambitionne d’étudier les réponses de la vigne à un déficit hydrique aux échelles intra- et inter-annuelles, en intégrant les dynamiques de production, de stockage et d’utilisation des ressources carbonées dans les systèmes végétatifs et reproducteurs. Cette étude sera abordée sur un panel de diversité optimisé pour représenter la diversité génétique de l’espèce cultivée (V. vinifera). Afin de préciser les bases génétiques et physiologiques des caractères adaptatifs de la réponse à la contrainte hydrique, et de les incorporer aux programmes de sélection, plusieurs approches innovantes seront mises en oeuvre : i) le phénotypage avancé des organes végétatifs et reproducteurs à différents stades de développement, avec un focus sur l’allocation du carbone, ii) l’identification des réseaux de gènes co-régulés par transcriptomique exhaustive (RNAseq); iii) l’analyse d’association phénotype-génotype sur génome entier (GWAS) dans un panel de 279 variétés iv) le développement d'un modèle statistique multi-caractères et multi-années pour améliorer la précision de prédiction. Appliquée pour la première fois chez les pérennes, une telle combinaison de méthodes améliorera la détection des QTL et la prédiction des valeurs génétiques individuelles. Cette approche multidisciplinaire est rendue possible grâce au consortium G2WAS qui regroupe des spécialistes en éco-physiologie, physiologie, génétique quantitative et fonctionnelle, statistiques et des sélectionneurs. Le projet s’articule autour de 4 WP, outre la coordination (WP1), une étude physiologique (WP2) de 16 génotypes contrastés soumis à un gradient de 10 conditions hydriques en conditions contrôlées (plateforme PhenoDyn) permettra d'étudier finement les mécanismes physiologiques et moléculaires d'adaptation à la sècheresse et de paramétrer le phénotypage semi-automatique (WP3) du panel des 279 (plateforme PhenoArch); ces données serviront à la détection de QTL et à la prédiction génomique (WP4), à l’aide d’un modèle statistique développé spécifiquement pour cette étude ; les résultats obtenus seront implémentés dans des programmes de sélection en cours sur la résistance aux maladies fongiques (WP5). Cette dernière étape sera l’une des premières tentatives pour combiner des propriétés de tolérance à la contrainte hydrique et de résistance aux maladies fongiques, en accord avec les 2 grands défis que doit relever la viticulture de demain. Outre une avancée scientifique sur la caractérisation des ressources génétiques à la base de la création variétale chez la vigne, ces nouvelles connaissances sur l’interaction entre limitation carbonée et fonctionnement hydraulique à l’échelle de la plante entière seront essentielles pour les acteurs de la filière, qui doivent anticiper les conséquences du changement climatique, notamment l'augmentation de la demande évaporative et le rationnement des ressources en eau. Ces connaissances et nouvelles méthodologies seront transférables à d'autres modèles d’espèces pérennes fruitières.

En produisant des graines riches en protéines en l'absence d'engrais azotés, les légumineuses peuvent contribuer à satisfaire la demande croissante en protéines végétales pour la nutrition humaine et animale tout en réduisant les impacts environnementaux. PEAVALUE ciblera le pois (Pisum sativum L.), une légumineuse à graines majoritairement cultivée en Europe qui suscite un intérêt croissant de la part de l’industrie alimentaire, mais dont l’utilisation reste limitée par le déséquilibre en acides aminés et surtout par le manque d’informations sur les caractéristiques intrinsèques et propriétés technofonctionnelles des protéines (ex. solubilité, propriétés émulsifiantes, gélifiantes et d’agrégation). PEAVALUE vise à améliorer les propriétés nutritionnelles et fonctionnelles des protéines de pois en réunissant trois équipes aux compétences complémentaires sur des aspects clés: la régulation de la synthèse des protéines de réserve (IJPB), la génétique de la qualité nutritionnelle des graines (AGROECO), et les propriétés physicochimiques et techno-fonctionnelles des protéines (PAM). Le projet est structuré en trois volets interconnectés. Dans le premier volet (WP1), une approche translationnelle entre le pois et Arabidopsis permettra d’apporter des connaissances fondamentales sur l’accumulation en grande quantité de protéines dans les graines. Ce volet permettra d’identifier des facteurs de transcription impliqués dans l’accumulation des protéines de réserve (tâche 1.1). Des mutations induites par TILLING dans ces gènes régulateurs seront recherchées et celles conduisant à des individus possédant de nouveaux profils protéiques (tâche 1.2) seront étudiées dans les autres volets. Le WP2 fournira des données cruciales pour la création de nouvelles variétés de pois combinant quantité et qualité nutritionnelle des protéines. La composition en acides aminés des graines des lignées TILLING (WP1) sera analysée, et un panel de 200 écotypes de pois sera étudié pour la teneur en protéines des graines, la composition en protéines et en acides aminés (tâche 2.1). Les corrélations entre les ratios globulines 11S/7S, vicilines/convicilines et les indices de qualité (composition en acides aminés) seront calculées pour identifier des profils protéiques, ou des génotypes, présentant un meilleur équilibre en acides aminés. Ces données serviront à des études de génétique d'association à l'échelle du génome (GWAS) exploitant un jeu de SNP récemment enrichi qui offre des perspectives d’identification d’allèles ou des gènes associés à une valeur protéique élevée (tâche 2.2). Le WP3 exploitera la variabilité génétique mise en évidence dans les WP1 et 2 pour la qualité protéique afin d’identifier des profils protéiques favorables en termes d’extractabilité et de propriétés techno-fonctionnelles. Une procédure standardisée (extraction alcaline et précipitation isoélectrique), donnant un bon rendement protéique tout en minimisant la dénaturation des protéines, sera utilisée. L'extraction alcaline sera d'abord appliquée aux graines des 200 génotypes de pois utilisés dans le WP2 dans le but d'identifier, par GWAS, des allèles associés aux variations d’extractabilité des globulines, actuellement limitante (tâche 3.1). Des isolats protéiques seront préparés à partir de 30 génotypes contrastés pour la composition protéique et les propriétés physicochimiques intrinsèques des protéines, comme la solubilité, la capacité de surfactant, les propriétés d’agrégation et de gélification, seront étudiées pour identifier les profils protéiques aux propriétés technofonctionnelles améliorées (tâche 3.2). Toutes les données de PEAVALUE seront (i) enregistrées dans une base de données pouvant servir de référence à la communauté s’intéressant aux légumineuses à graines, et (ii) intégrées au moyen d'études de corrélation et d'analyses multifactorielles afin d'identifier des profils protéiques dotés de propriétés nutritionnelles et technofonctionnelles améliorées (tâche 3.3).

La maîtrise de la lipolyse du lait constitue un des enjeux majeurs auxquels doit faire face la filière laitière. La libération d’acides gras libres et leur éventuelle oxydation dans le lait conduisent au développement d’une flaveur jugée intolérable par le consommateur au-delà d’un certain seuil (1,2 mEq/100 g de matière grasse). Les laits qui présentent un taux élevé de lipolyse ne sont donc pas commercialisables sous forme de lait de boisson, et ont également des inaptitudes technologiques à la transformation. En pratique, un indice de lipolyse a été mis en place pour évaluer la qualité des laits et est utilisé actuellement pour le paiement du lait dans certaines régions. Cet indice englobe la lipolyse spontanée [dégradation hydrolytique de la matière grasse laitière par des lipases naturelles, principalement, la lipoprotéine lipase (ou LPL)], la lipolyse induite (due aux chocs thermiques et mécaniques) et la lipolyse microbienne (associée à de la contamination microbienne). La question principale à laquelle doit répondre le projet LIPOMEC est celle-ci : « Comment limiter la lipolyse dans le lait et les produits laitiers ?» Autrement dit, comment résoudre les problèmes de lipolyse rencontrés par les éleveurs de vaches laitières, de chèvres et de brebis dans un système d’élevage de précision ? Comment optimiser les pratiques des éleveurs et la sélection génomique pour réduire la lipolyse dans le lait de ruminants, tout en conservant un lait répondant aux exigences des transformateurs laitiers ? Pour atteindre ces objectifs, nous nous proposons de : - Hiérarchiser les facteurs responsables des niveaux élevés de lipolyse dans le lait, parmi les paramètres génétiques, les pratiques agricoles et le système de traite, - Améliorer la compréhension du système lipolytique, constitué par l'enzyme lipoprotéine lipase, son substrat (le globule gras du lait) et les cofacteurs (activateurs et inhibiteurs), chez les trois espèces laitières à travers la caractérisation des réseaux régulateurs de la lipoprotéine lipase dans le lait et / ou dans les cellules épithéliales mammaires, -Développer des outils et des méthodes pour mesurer et réduire la lipolyse « de la mamelle au fromage ». LIPOMEC est le premier projet à grande échelle pour étudier les mécanismes de lipolyse dans le lait et la glande mammaire dans les trois espèces d’intérêt agronomique : vache, chèvre et brebis.

Le Parlement Européen a appelé les états membres à renforcer leurs dispositifs de sécurité sanitaire des aliments d’ici 2019. En Juillet 2018, l’état français a lancé officiellement une plateforme pour renforcer l’efficacité de la surveillance sanitaire des aliments. Ceci implique notamment que l’industrie comme les autorités sanitaires s’appuient davantage sur des méthodes de screening haut-débit, sensibles et peu coûteuses afin de renforcer le suivi des dangers alimentaires prioritaires. D’énormes avancées en sécurité microbiologique ont été réalisées ces dernières années grâce aux progrès de la biologie moléculaire. Les techniques haut-débit et peu coûteuses ont pu renforcer les dispositifs de contrôle réglementaire tout en fournissant aux industriels des moyens d’autocontrôle efficaces. En matière de sécurité chimique, cette transition technique et sociétale n’a pas encore eu lieu. Le système français repose sur deux approches 1/ des plans de surveillance et de contrôle utilisés pour détecter d’éventuelles non-conformités (dépassement de la teneur maximale TM en contaminants dans un aliment) ; 2/ des études de l’alimentation totale plus ponctuelles évaluant le risque global lié à l’exposition alimentaire chronique à des teneurs plus faibles (infra-TM). Les TMs ciblées étant souvent très basses, les deux approches s’appuient essentiellement sur des méthodes très sensibles mais malheureusement très coûteuses et bas débit limitant à la fois l’étendue de la surveillance réglementaire et les possibilités d’autocontrôles industriels. En prenant la surveillance des polychlorobiphényles (PCBs) dans les viandes comme modèle, le premier objectif de SENTINEL est de développer un panel de 3 outils complémentaires à la fois haut-débit, sensibles et à faible coût pour 1/ renforcer la détection de non conformités, mais aussi 2/ permettre un suivi infra-TM de ces contaminants. Lorsque des échantillons non-conformes seront détectés, des analyses confirmatoires par des techniques de référence seront réalisées avant d’éventuelles actions correctives alors que des détections au-delà de niveaux supra-TM fixés pourront entraîner des actions préventives au niveau industriel. Avec pour finalité de mieux maitriser l’exposition des consommateurs aux principaux dangers chimiques alimentaires, l’utilisation de ces outils permettrait d’augmenter l’efficacité et la portée des contrôles réglementaires (approche descendante) tout en donnant aux industriels les moyens de démultiplier les possibilités d’autocontrôle (approche ascendante). Trois stratégies prometteuses seront explorées : 1) le couplage de spectromètres de masse haute sensibilité avec des stratégies de multi-échantillonnage, 2) le couplage de biosenseurs de contaminants avec des méthodes d’extraction rapides et 3) le design de senseurs ciblés sur la détection de marqueurs d’exposition animale découverts par des approches omiques. Le second objectif est de définir des conditions plausibles de mise en œuvre de ces nouveaux outils et d’en anticiper les principaux coûts et bénéfices. Afin d’améliorer le transfert des outils vers l’industrie et les pouvoirs publics, l’approche s’articule en 2 étapes : 1) définition des conditions de mise en œuvre des outils SENTINEL sur la base de scenarios d’évolution probable de la filière viande ; 2) analyse coût-bénéfice de ces scenarios prenant en compte les aspects économiques, réglementaires, sociaux et sanitaires sera réalisée pour aider les futures décisions de renforcement de la surveillance sanitaire. Pluridisciplinaire, SENTINEL devrait permettre des développements en chimie des résidus, biosenseurs, nez électroniques, omiques, chimiométrie, bioinformatique, sciences sociales, sciences du consommateur, économie et ingénierie des connaissances. Le projet implique 11 partenaires de 4 instituts de recherche (INRA, CNRS, INRIA, IRSTEA), 2 établissements d’enseignement et de recherche (Université de Perpignan, ONIRIS) et 1 institut technique (IFIP).

La végétation urbaine est une source de services écosystémiques comme la réduction du phénomène d’îlots de chaleur urbains ou l’augmentation des surfaces de d épôt de polluants. Cependant, les arbres urbains émettent des composés organiques volatils biogéniques (COVB ; les isoprènes par ex.) qui peuvent réagir avec les polluants atmosphériques pour former des polluants secondaires, tels que l'ozone (O3) et des aérosols organiques secondaires (AOS). Les émissions de COVB ont été davantage étudiées dans les écosystèmes naturels ; ces émissions étant régulées par les conditions environnementales, il est intéressant de se focaliser sur les arbres urbains soumis à de fortes contraintes (ressources réduites, pollution). Leur contribution à la qualité de l'air doit être clarifiée afin d'améliorer les facteurs d'émission utilisés dans les modèles de qualité de l'air, notamment en conditions de stress. Le projet sTREEt a pour objectifs i) d'analyser les interactions entre les facteurs abiotiques urbains, la physiologie des arbres et leurs émissions de COVB, ii) de modéliser le fonctionnement de l’arbre urbain et iii) d’intégrer toutes ces données dans des modèles de qualité de l'air. Il s’appuiera sur deux expérimentations et sur de la modélisation de l’arbre et de la qualité de l’air. L’expérimentation 1 (années 1 et 2) utilisera de jeunes platanes cultivés en milieu urbain, en pots afin de maîtriser leur état hydrique, principal facteur limitant le développement des arbres urbains. Ces platanes, forts émetteurs d’isoprène, seront étudiés pendant deux ans, au printemps et en été. Les paramètres environnementaux seront enregistrés, la moitié des arbres sera arrosés régulièrement, l’autre sera soumise à une sécheresse. Les échanges gazeux, la fluorescence de la chlorophylle, le potentiel hydrique des feuilles, la température du couvert et des indices spectraux seront mesurés. Les émissions de COVB seront évaluées à l'échelle de la feuille avec un système développé au cours du projet, et à l’échelle du rameau avec une chambre dynamique déjà validée. L'analyse des COVB sera effectuée à l'aide d'analyseurs en ligne, PTR-MS et d’un système GC portable, connectés aux chambres. Des marqueurs biochimiques de stress foliaire (proline, mannitol, carbonylation de protéines) seront également quantifiés. Des analyses métabolomiques permettront de suivre le lien entre métabolisme primaire et voies de synthèse des COVB. L’expérimentation 2 (année 3) utilisera des arbres plus âgés d’un site urbain, un platane et une autre espèce ligneuse émettrice de monoterpènes (précurseurs d’AOS). Les émissions de COVB seront ainsi mesurées in situ, avec les échanges gazeux des arbres urbains et la composition de l'air environnant, afin d'évaluer l'impact des émissions de COVB sur les phases gazeuse et particulaire (PTR-MS). Enfin, la composition chimique des aérosols sera analysée à l'aide d'un ACSM et des dosages de 14C permettront d'estimer la fraction biogénique de la phase particulaire. Les données expérimentales obtenues alimenteront la partie modélisation du projet. Un modèle de continuum sol-plante-atmosphère conçu pour un arbre de forêt sera adapté à l’arbre urbain. Le fonctionnement hydraulique de l'arbre sera modélisé en fonction des conditions radiatives, de la régulation stomatique et de la diffusion radiale de l'eau du sol aux racines. Ce projet permettra une meilleure représentation des paramètres requis pour le paramétrage des émissions de COVB qui sera utilisée par la modélisation de la qualité de l'air (Polyphemus) qui finalisera cette étude. Cette modélisation simulera les concentrations d’O3, NOx, particules PM10, PM2.5 dont composés organiques), à l'échelle régionale et dans les rues de Paris, qui seront comparées aux émissions de COVB mesurées in situ. Ce modèle, utile aux gestionnaires de la ville, permettra de valider l'impact de la végétation, stressée ou pas, sur les concentrations d'ozone et de particules dans le Grand Paris.

Dans le secteur du bâtiment, l'organisation des marchés de la rénovation s'appuie fortement sur les dispositifs d'information et de normalisation développés par les pouvoirs publics pour orienter l'action des entreprises et des clients. Le projet PREMOCLASSE interroge sur le rôle de l'un d'entre eux : le Diagnostic de Performance Energétique (DPE). Alors que le DPE est aujourd'hui principalement utilisé sur le marché des transactions immobilières, son rôle est de plus en plus important dans le pilotage de la rénovation énergétique par les pouvoirs publics. Le projet PREMOCLASSE propose une alliance entre disciplines pour analyser les différents rôles du DPE dans le secteur de la rénovation. Il cherche en particulier à comprendre la relation entre deux aspects qui ne sont que partiellement liés actuellement : d'une part, la mesure de la performance énergétique par le DPE et, d'autre part, la mise en œuvre de travaux spécifiques de rénovation. Le projet entend apporter trois contributions différentes. 1. Dans le domaine des sciences sociales, le projet développera la recherche sur le rôle de du DPE dans l'élaboration des politiques de rénovation et, plus généralement, sur la mobilisation des instruments et processus d'évaluation dans le changement sociopolitique et économique. La contribution sera à la fois conceptuelle (développement des liens entre la sociologie de l'action publique et des marchés et la sociologie de l'énergie et du bâtiment) et empirique (l'étude de cas du DPE sera pleinement documentée sous l'angle socio-historique et sous celui des pratiques socioprofessionnelles dans les domaines concernés). 2. Dans le domaine de la modélisation, le projet contribuera à enrichir et à améliorer un outil de modélisation intégré économie-énergie portant sur le par résidentiel : le modèle "Res-IRF". L'objectif sera d'améliorer les capacités descriptives de l'outil en incluant les types de travaux de rénovation qui peuvent être réalisés. On cherchera également à améliorer sa robustesse en intégrant des données sociologiques qui peuvent accroître le réalisme de la modélisation. 3. Dans le domaine de la prospective énergétique, le projet élaborera des scénarios sur la composition du parc de logements résidentiels d'ici à 2050 sur la base d'une coopération étroite entre les approches sociologiques, techniques et économiques. L'interdisciplinarité s'exercera en amont dans la définition des hypothèses et en aval dans l'analyse des résultats conduisant à des scénarios originaux d'évolution du parc immobilier. Par son interdisciplinarité, le projet PREMOCLASSE prend une place originale dans le champ fragmentaire des études sur le bâtiment. En outre, il comprend à la fois des dimensions fondamentales (modélisation, sciences sociales) et des dimensions d'application (scénarios prospectifs). Il apporte une contribution à la fois positive (optimisation de la modélisation, connaissance des pratiques des professionnels sur le terrain, élaboration de scénarios) et réflexive (rétroaction entre la mesure et le mesuré). Enfin, et c'est l'une des particularités du projet, il apporte des connaissances spécifiques à la R&D d'EDF (approche technico-économique des bâtiments, connaissance des types de travaux et des prix pour la rénovation énergétique) vers une recherche académique, par définition plus ouverte. Le fait qu'EDF R&D, Armines et le CIRED unissent leurs expertises en matière d'efficacité économique de la rénovation énergétique a une portée qui va bien au-delà de ces organisations. En effet, les résultats de Premoclasse constitueront une base de connaissances et de propositions qui pourront être mobilisées pour les développements futurs du DPE (applicabilité, performance environnementale, etc.). Par ailleurs, une appropriation des résultats de Premoclasse par les acteurs publics et privés de la rénovation énergétique pourrait permettre une optimisation des instruments économiques destinés à encourager et fiabiliser la rénovation.

Les dernières années ont été marquées par l’essor du Machine Learning (ML), qui a permis des gains en performances significatifs dans plusieurs domaines d'application. Outre les progrès méthodologiques indéniables, ces gains sont souvent attribués à des grandes quantités de données d'entraînement et à la puissance de calcul, qui ont conduit à des avancées dans la reconnaissance de la parole, la vision par ordinateur et le traitement automatique de la langue. Dans ce projet, nous proposons d'étendre ces avancées à la prise de décision séquentielle d'agents dans un contexte de planification et de contrôle. Dans le contexte du contrôle robuste d’agents tels que les drones, les robots mobiles, les bras robotiques etc., nous proposons un projet de recherche fondamentale. Dans ce cadre, les méthodes de l'automatique (théorie du contrôle) se sont établies comme méthodologies dominantes pour les applications où un modèle physique de l'agent et/ou de l'environnement peut être obtenu. Ces approches fondées sur un modèle sont puissantes car elles reposent sur une compréhension approfondie du système et peuvent exploiter des relations physiques établies. En revanche, cette modélisation est difficile à obtenir en présence de grandes incertitudes, par exemple dans le cas du contrôle à partir d'observations visuelles dans les environnements complexes. L’intelligence artificielle, et surtout le Machine Learning, est une méthodologie alternative qui vise à apprendre des modèles complexes à partir de quantités souvent massives de données. Les processus décisionnels de Markov (MDP) et l'apprentissage par renforcement (RL) fournissent un cadre mathématique pour les applications de contrôle dans lesquelles les agents sont entraînés à partir d'interactions passées avec un environnement. Ces dernières années, cette méthodologie a été associée aux réseaux de neurones profonds, qui jouent le rôle d'approximateurs de fonctions. Cette stratégie a permis de lever de nombreux verrous scientifiques dans certaines applications comme le contrôle des jeux (Go, Atari, DOTA, etc). Alors que dans de nombreuses applications, l'apprentissage automatique est devenu la méthodologie prédominante, le contrôle robuste et bas niveau (horizon court) d'agents physiques reste un domaine dans lequel l'ingénierie de contrôle ne peut pas être remplacée à l'heure actuelle. Cela s'explique principalement par (i) un manque de stabilité des agents entraînés à partir de données, (ii) l'absence de garanties fournies pour l'apprentissage automatique, (iii) le manque de puissance de calcul d'un grand nombre de plateformes embarquées. Dans ce contexte, le projet le projet DeLiCio propose des recherches fondamentales à cheval entre les domaines IA/ML d’un coté et de l’automatique de l’autre coté, ciblant des contributions algorithmiques prévues sur l'intégration de modèles, de connaissances a priori et de l’apprentissage automatique pour le contrôle et les boucles perception / action. Nous proposons - l’apprentissage automatique (l’identification ) de modèles pour le contrôle ; - l’apprentissage de représentations de l’état d’un agent pour le contrôle ; - l’ajout de biais inductive pour les agents appris par apprentissage par renforcement garantissant stabilité et robustesse; - Le contrôle robuste et décentralisé de système multi-agents basé sur le ML et l’automatique. Les méthodologies proposées dans ce projet seront évaluées sur une application exigeante, à savoir le contrôle décentralisé de flottilles de drones, ciblant des conditions réalistes de vols en formation.

Le projet aborde le problème des ambiguïtés des contenus visuels et textuels et vise à les résoudre en apprenant des représentations adaptées et en les combinant de manière appropriée. A cette fin, nous définissons une nouvelle tâche scientifique que nous nommons « système de question-réponse multimédia » qui a la particularité de nécessiter la prise en compte de trois sources d'information pour être résolue. La tâche consiste à répondre à une question (textuelle) ayant un rapport avec un contenu visuel (pouvant être la réponse à la question ou un indice déterminant pour la trouver) en s'appuyant sur le contenu d'une base de connaissances externe, composée de millions d'entités uniques. Chacune de ces entités est elle-même associée à des contenus textuels et visuels et est reliée à d'autres entités au sein de la base. En pratique, notre intérêt portera sur quatre types d'entités: les personnes, les objets manufacturés, les lieux géographiques remarquables et les organisations (entreprises, ONG, organisations inter-gouvernementales...). D'un point de vue technique, notre but est de fusionner les trois sources d'information le plus précocement possible, idéalement dans un espace de représentation commun. Différentes stratégies sont proposées pour fabriquer un tel espace, avec une progression croissante d'intégration. Au sein d'un tel espace, le projet s'intéresse à la manière de représenter une entité particulière afin de faciliter son rapprochement avec les entités pertinentes pour répondre à une « question multimédia ». Cela nécessitera des travaux spécifiques sur chaque modalité ainsi que sur leur combinaison deux à deux, l'étude des sources d'informations à prendre en compte selon le type des entités, des travaux sur la représentation d'une entité particulière au sein de l'espace commun ainsi que la définition d'une typologie des « questions multimédia » possibles. Bien que la recherche envisagée soit relativement amont, des applications pratiques peuvent rapidement en être dérivées dans les domaines de la veille et du marketing (veille des réseaux sociaux), du tourisme et de la valorisation du patrimoine ou encore de la sécurité et de la défense. Une issue positive du projet fournirait des perspectives pour mettre en place des agents conversationnels performants. Au cours du projet, les retombées directes seront néanmoins principalement académiques, avec des publications scientifiques et le matériel afférent pour reproduire les résultats, ainsi que l'organisation d'une campagne d'évaluation sur la nouvelle tâche définie, incluant la mise à disposition d'un nouveau corpus de données et des méthodes d'évaluation correspondantes, le tout disponible publiquement.

L’utilisation de la photonique silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans la gamme spectrale du moyen infrarouge présente des atouts majeurs, liés à l’utilisation de technologies de fabrication matures, à grand volume, déjà développées pour les circuits intégrés microélectroniques. Parmi les verrous à lever avant le développement d’applications pratiques, le couplage de la lumière issue d’une source laser vers les circuits photoniques passifs est un enjeu majeur. Dans ce contexte, le projet LIGHT UP est dédié à l’intégration de Lasers à Cascades Quantiques (QCL) InAs/AlSb sur circuit intégré photonique à base de Germanium (Ge) dans le moyen infra rouge. Le point clef du projet porte sur la croissance épitaxiale de structures QCL sur les circuits photoniques Ge, permettant une fabrication simplifiée des systèmes, à l’échelle du substrat. La région active du QCL et le guide d’onde Ge seront conçus pour optimiser les propriétés des matériaux tout en prenant en compte les stratégies d’intégration. L’objectif sera de préserver des guides d’onde à faible pertes, et un fort gain optique dans la région active, tout en concevant un couplage efficace entre la région active et le guide Ge. Le démonstrateur du projet LIGHT UP est formé d’un QCL émettant à la longueur d’onde de 7.4µm, couplé dans un circuit photonique Ge. Le choix de cette longueur d’onde correspond à des applications potentielles pour la détection des alcanes, ce qui peut permettre d’évaluer rapidement l’impact du travail réalisé. Les résultats qui seront obtenus dans le projet LIGHT UP permettront de conclure sur les possibilités et l’opportunité de développer une plateforme hybride ambitieuse, basée sur l’intégration de lasers QCL InAs/AlSb sur circuits intégrés photonique à base de Ge. A plus long terme, les résultats obtenus pourront ouvrir de nombreuses perspectives pour la réalisation de composants innovants, aux propriétés uniques, citons par exemple une source intégrée large bande et accordable, qui peut être couplée à un modulateur optique intégré, un photodétecteur ou à un spectromètre intégré. Une telle plateforme ouvrira de large champs d'applications allant de l’analyse de polluants en temps réels aux télécommunications en espace libre, en passant par le diagnostic et l’analyse médicale.

Les détecteurs infrarouges dans la gamme du moyen-IR (3um – 12um) sont cruciaux pour plusieurs applications: spectroscopie, détection de gaz, imagerie. Ce projet vise à démontrer des détecteurs infrarouges à cascade quantique dans la 2me fenêtre atmosphérique (8-12 um), qui seront compatibles avec applications en imagerie et avec une température BLIP améliorée par rapport à l'état-de-l'art, grâce au fonctionnement en régime de couplage fort lumière-matière. Nous visons une amélioration de 15K de la TBLIP. Ce résultat serait très important pour la technologie de l'imagerie infrarouge. Un objectif supplémentaire, important pour développer dispositifs avec performances optimales, est de comprendre le mécanisme de couplage entre réservoir électronique et système polaritonique. Il est un problème encore non résolu dans le domaine de la polaritonique inter-sousbandes. Sa solution représenterait une avancée cruciale dans la compréhension des systèmes polaritoniques sous pompage électrique.

SIZMO2D est dédié à la fabrication et à l’étude de dispositifs pour la spin-optronique (diodes électroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs) et Spin-Photodiodes) permettant de convertir des courant de spin en photons polarisés circulairement, et vice-versa. Ces systèmes hybrides seront constitués de semi-conducteurs (SC) bi-dimensionnels (2D) à base de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) sous forme de mono-feuillets (MoS2, WSe2, MoTe2 …), éventuellement encapsulés dans hBN, et tireront partie des longs temps de relaxation de spin des porteurs (de l’ordre de la µs) mesurés récemment dans ces mono-couches (ML), lorsque les spins sont orientés perpendiculairement aux feuillets. Afin d’injecter les spins avec cette orientation et de travailler à champ magnétique nul, des électrodes présentant de l’Anisotropie Magnétique Perpendiculaire (PMA) seront déposées sur les TMDCs. Elles seront constituées de métaux ferromagnétiques (FM) tels que du CoFeB ultra-fin (ou Ni ultra-fin, multi-couches [Co/Ni](111) ...) couplés à des barrières tunnel de MgO ou hBN, ou bien utiliseront comme barrière tunnel magnétiques les matériaux 2D magnétiques récemment découverts comme CrBr3, CrI3, or VSe2. Le projet sera organisé en 4 parties. WP1 sera dédié à la fabrication des dispositifs. Des MLs de TMDCs de haute qualité seront obtenues par exfoliation sous atmosphère contrôlée, avec encapsulation par hBN. L’IJL se concentrera sur le dépôt par pulvérisation cathodique d’électrodes présentant de la PMA sur les TMDCs. Les électrodes basées sur l’utilisation de matériaux 2D magnétiques seront fabriquées au LPCNO par exfoliation (hétéro-structures de Van der Waals). Des jonctions p-n planaires seront réalisées en combinant des flocons de SC 2D dopés n et p. Les dispositifs pour le Spin-pumping, le magnéto-transport, le spin-photo-voltage, les Spin-photodiodes et les SpinLEDs seront ensuite préparés par lithographie électronique. WP2 sera centré sur l’étude des interfaces FM/TMDC, à l’aide de caractérisations magnétiques (microscopie Kerr et MFM), de microscopie HR-TEM, ainsi que via des mesures de magnéto-transport (locales et non locales). Des expériences de Spin pumping basées sur la Résonance FM apporteront également des informations sur les propriétés de spin à l’interface FM/TMDC. Dans WP3, les propriétés optiques et de spin/vallée des heterostructures seront analysées par micro-photoluminescence (PL), par réflectivité, et par PL résolue en temps et en polarisation (échelle picoseconde), entre 5 et 300K. Les dispositifs finaux pour le Spin-photo-voltage, les spin-Photodiodes et les SpinLEDs seront mesurés grâce à des bancs adaptés de photo-voltage/courant et d’électroluminescence sous champ magnétique (0-7T). WP4 sera dédié à la modélisation des propriétés des interfaces, via des calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ces calculs permettront d’identifier les états électroniques aux interfaces, leur contribution au transport de spin, et serviront de support pour l’interprétation des expériences. Enfin, un modèle analytique sera développé pour décrire les expériences de spin-photocourant. Ce projet regroupe quatre laboratoires complémentaires: le LPCNO (exfoliation, spin/optique), l’IJL (croissance d’injecteur avec PMA, nanolithographie, HR-TEM), l’UMPhy CNRS-Thalès (MFM, effet Kerr, Spin Pumping) et le CEMES (calculs ab-initio). Il devrait amener des avancées sur la compréhension des mécanismes de transport de spin aux interfaces FM/TMDC, dans un domaine actuellement en plein essor. La démonstration de SpinLEDs et Spin-photodiodes ultra-fines fonctionnant en l’absence de champs magnétiques externes appliqués ouvrirait la voie à une nouvelle génération de dispositifs spin-optroniques qui pourraient avoir des applications dans le domaine des télécommunications en espace libre, en cryptographie et information quantique, dans l’affichage 3D, ainsi qu’en biologie pour les analyses de chiralité…

Les réseaux de neurones artificiels, qui sont au cœur des progrès récents en calcul analogique et en apprentissage automatique, deviennent de plus en plus importants pour nos sociétés numériques du futur. Cependant, ces succès reposent sur la puissance de calcul des architectures informatiques standard, qui souffrent d'un manque de vitesse et d'efficacité énergétique. Dans ce contexte, la recherche sur les composants neuromorphiques qui s'inspirent du cerveau attire de plus en plus l’attention. Notre projet ANACONDA vise à développer les premiers systèmes neuromorphiques photoniques ultra-rapides basés sur des neurones artificiels impulsionnels. Ces systèmes seront confrontés à des tâches de calcul concrètes et permettront potentiellement d'importants gains en termes de vitesse, de parallélisme, d'efficacité d'apprentissage et de consommation d'énergie par rapport aux technologies actuelles. Les réseaux de neurones impulsionnels artificiels sont composés de noeuds non linéaires inspirés des neurones biologiques. Chaque neurone artificiel comporte plusieurs entrées et une sortie interconnectées, qui définissent ensemble la topologie de connexion du réseau. Lorsqu'ils sont excités au-dessus d'un certain seuil, les neurones répondent par une impulsion de type tout-ou-rien, correspondant à un processus dynamique appelé excitabilité. Dans le cadre de ce projet, nous développerons des réseaux de neurones excitables (impulsionnels) ultra-rapides et tout-optiques. Une innovation majeure du projet tient dans le fait que nous nous inspirerons d'un type d’apprentissage non supervisé observé dans les systèmes biologiques, qui est fondamentalement différent des techniques classiques d’apprentissage profond supervisées actuellement dominantes. Cela permettra d’imiter la capacité observée chez l’homme d’apprendre à répondre de manière sélective suite à seulement quelques répétitions d’un motif sélectionné en entrée, en utilisant un nouvel algorithme appelé JAST. Le projet est divisé en trois workpackages scientifiques, chacun abordant un objectif différent. Le premier objectif est de fabriquer et de mettre en œuvre des réseaux de neurones photoniques excitables. Nous étudierons deux systèmes complémentaires: l’un basé sur un oscillateur opto-électronique, l’autre sur des microlasers excitables ultra-rapides. Le deuxième objectif est de mettre en œuvre un schéma de codage par impulsions des signaux et de réaliser des réseaux connectés binaires dans les deux systèmes précédents. Le troisième objectif est de démontrer les capacités de calcul des réseaux de neurones impulsionnels photoniques. Une architecture basée sur des nœuds virtuels en introduisant une rétro-injection avec retard sur un seul nœud réel sera d'abord étudiée pour du calcul calcul à réservoir, avant de passer à un réseau spatio-temporel complet. Le système opto-électronique explorera des techniques avancées d'optimisation des réseaux, en vue de guider les futures réalisations de calcul dans les systèmes photoniques excitables à hautes performances. L’approche technologiquement plus complexe et plus puissante des réseaux de noeuds impulsionnels ultra-rapides sera étudiée ensuite. Les capacités de calcul des deux réseaux de neurones seront évaluées sur des tâches de reconnaissance de signaux et d'images, en visant au moins des performances à l'état de l'art. Le consortium regroupe trois laboratoires (C2N, Femto-ST, Cerco) spécialisés dans les domaines de la nanotechnologie, du calcul à l'aide de réseaux de neurones photoniques et des neurosciences computationnelles des systèmes impulsionnels. Anaconda est donc un projet multidisciplinaire au carrefour de différents domaines d’études. ANACONDA aura des répercussions sur plusieurs disciplines de la science fondamentale et ouvrira la voie à de futures applications de grande portée dans les domaines stratégiques de l'intelligence artificielle et de la science des données.

ADOR, résolument orienté vers des concepts fondamentaux, vise à élargir le champ, à peine étudié, de la dynamique non linéaire assistée par le bruit en optomécanique avec un système aux multiples fonctions dont les éléments élémentaires sont des membranes à cristaux photoniques suspendues incorporant une cavité optique. Ces résonateurs nano-opto-électro-mécaniques (NOEM) indépendants ou couplés pourraient être utilisés comme un « système jouet » pour atteindre trois objectifs principaux : l’amplification stochastique, la synchronisation améliorée du bruit entre oscillateurs couplés ou non couplés et le chaos. Pour atteindre ces objectifs, ADOR mettra en œuvre une architecture de rupture s'appuyant sur forte valeur ajoutée de l’intégration hétérogène 3D maitrisée au C2N : (i) une membrane à cristaux photoniques incorporant des modes optiques et mécaniques avec des guides d'onde en silicium pour la détection optique sensible et (ii) des électrodes interdigitées pour une excitation efficace. Fort de ces structures innovantes, ADOR s’attaquera d’abord à l’amplification stochastique qui est l’un des exemples les plus brillants et les plus simples de ce comportement non trivial de systèmes non linéaires sous l’influence du bruit. Dans ce cadre, le comportement non-linéaire prérequis peut être obtenu soit dans le domaine optique soit mécanique. Ainsi, une étude approfondie de la configuration de la modulation (élargissement ou multifréquence) et du bruit (couleur du bruit, nature additive / multiplicative du bruit) en optique ou en mécanique permettra de trouver une combinaison optimale pour améliorer l’amplification de tout type de signal faible. Avec de tel dispositif, couplant simultanément un résonateur optique et un résonateur mécanique, une variété de configuration peut être envisagée pour sortir les phénomènes assistés par le bruit du modèle avec un résonateur unique. Basé sur le savoir-faire développé et la compréhension approfondie de la résonance stochastique avec un seul élément, le second objectif d’ADOR est de coupler deux résonateurs, puis plusieurs, afin d’améliorer encore l’amplification par le bruit. Pour les résonateurs non linéaires isolés, la résonance stochastique classique permet d'utiliser le bruit comme seul paramètre de contrôle. Contrairement au réseau de résonateurs non-linéaires où la force du couplage entre résonateurs permet d’introduire un paramètre supplémentaire enrichissant le système étudié. Cela peut permettre d’atteindre des phénomènes nouveaux et non conventionnels induit par le bruit, tel que la transition de phase induite par le bruit dans des réseaux de résonateurs couplés et la synchronisation avec le bruit commun pour des résonateurs non couplés. Enfin, le comportement chaotique d'un résonateur unique et de multiples résonateurs sera étudié, permettant ainsi l'utilisation et le contrôle par le bruit de leur comportement chaotique. Ces phénomènes permettant d’améliorer la capacité de détection avec des phénomènes non linéaires seront soutenus par des travaux numériques afin de comprendre la physique sous-jacente. La riche nature multi-physique des dispositifs envisagés et étudiés pourrait ouvrir de nouvelles voies vers l'utilisation potentielle de tels processus assistés par le bruit avec un fort impact sur les applications assistées par le bruit, y compris le traitement du signal ou la détection.

Le rayonnement téraHertz (THz) est important à la fois pour la science fondamentale et pour la technologie avec des applications prometteuses en astronomie, chimie, biosécurité et communications. Cependant, la gamme de fréquence THz (en particulier de 1 à 10 THz) reste l'une des régions spectrales les moins développées en raison du manque de sources puissantes et compactes. Le projet STEM2D relève le défi de réaliser des émetteurs intégrés d'ondes submillimétriques-THz puissants, à base de matériaux 2D et fonctionnant à température ambiante. La nouveauté sera d'exploiter le processus de rayonnement de type synchrotron dans les matériaux 2D ondulés. Le rayonnement de type synchrotron est bien établi dans le contexte des dispositifs à faisceau d'électrons tels que les lasers à électrons libres, mais représente un concept original pour l'émission de lumière dans la matière condensée. De plus, l'utilisation de contraintes géométriques (ondulation) par opposition à l'application d'un champ magnétique externe (comme dans les wigglers) pour obtenir un rayonnement par mouvement angulaire est innovante. Les matériaux 2D (tels que le graphène) sont très attrayants pour ce concept. En effet, en raison de leur épaisseur extrêmement faible (c'est-à-dire une couche atomique unique), on peut s’attendre à une adhésion conforme des matériaux 2D à une surface ondulée dont la périodicité du réseau serait inférieure au micron. Plus particulièrement, dans le graphène, la vitesse des porteurs est environ un ordre de grandeur plus élevée que les vitesses de dérive maximales pouvant être atteintes dans les semiconducteurs classiques ; ainsi la puissance THz délivrée devrait être très élevée. De plus, les autres matériaux 2D tels que le MoS2 et le phosphore noir, même si les mobilités des porteurs sont plus faibles, possèdent une bande interdite offrant un contrôle important de la densité de porteurs à l'aide d'une électrode de grille. Ainsi, les émetteurs de type synchrotron basés sur ces matériaux 2D pourraient émettre de la lumière THz modulée à une fréquence GHz avec un contraste élevé, ce qui est particulièrement intéressant pour les applications de communication. En combinant des techniques de nanofabrication, des expériences THz avancées et une modélisation microscopique approfondie, nous étudierons des dispositifs de rayonnement THz à base de matériaux 2D ondulés dont les propriétés sont très intéressantes sur le plan fondamental et très prometteuses sur le plan technologique. Les trois objectifs majeurs de ce projet sont : i) l'étude théorique des matériaux 2D ondulés et leur couplage à une cavité, ii) la démonstration d'émetteurs THz à base de graphène ondulé et iii) l'extension de ce concept à d'autres matériaux 2D pour moduler efficacement le rayonnement THz à hautes fréquences en utilisant une électrode de grille. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs défis devront être relevés. Le principal défi technologique consiste à obtenir des substrats ondulés de haute qualité et à transférer efficacement les matériaux 2D sur ceux-ci. L’enjeu instrumental est de détecter le rayonnement THz de faible puissance qui sera émis par la première série de dispositifs (non encore optimisés). Le principal défi scientifique consiste à étudier théoriquement le couplage de matériaux 2D ondulés à une cavité optique. En effet, une approche innovante doit être proposée pour synchroniser le rayonnement THz émis par le dispositif au temps d’aller-retour des ondes THz se propageant dans la cavité optique. L’impact global de STEM2D sera considérable car ce projet démontrera le potentiel d’un nouveau concept exploitant les matériaux 2D ondulés pour la technologie THz. Le projet STEM2D implique 1 partenaire industriel Thales Research and Technology et 3 partenaires académiques : Institut d'électronique et des systèmes, le Laboratoire de physique de l'ENS et l'unité mixte de physique CNRS/Thales.

Un atout important encore peu exploré du semiconducteur à grand gap ZnO est son potentiel pour la spintronique. Ce matériau présente en effet une cohérence de spin à l’ambiante des plus longues parmi les semiconducteurs à gap direct (~200psec à l’ambiante) du fait de son très faible couplage spin-orbite, 100 fois plus petit que celui de GaAs. ZnO est par ailleurs façonnable sous toutes formes d’hétérostructures pour la microélectronique allant des puits quantiques aux nanofils. Ces deux types de nanostructures doivent permettre de gagner plusieurs ordres de grandeur sur des durées de vie de spin déjà importantes dans ZnO massif , tout en préservant un transport de spin dans le plan ou la direction axiale des fils, contrairement aux boites quantiques. Les propriétés optoélectroniques de ZnO pour l’émission et l’absorption sont, par ailleurs, excellentes. Enfin, de par sa nature chimique, ZnO est compatible avec les oxydes ferrimagnétiques ayant non seulement des températures de Curie élevées, mais aussi des polarisations en spin au niveau de Fermi bien plus élevées que celles des métaux ferromagnétiques. Le but de SPINOXIDE est de capitaliser sur toutes ces propriétés, d’explorer la combinaison d'un oxyde ferrimagnétique ayant une Tc élevée avec l'oxyde semiconducteur ZnO pour obtenir une injection et détection de spin efficace à 300K sans dégrader les résistances de contact pour les futures transistors « beyond CMOS » et de réaliser des démonstrateurs fondés sur l’opto-spintronique (spin-photo-détecteurs ou émetteurs de lumière à « spin »). Compte-tenu des longueurs d’onde atteignables, de l'UV au visible, ces dispositifs sont pertinents pour différents types d’application « All-Optical Spin switching » en spintronique, mais aussi les analyses chirales pour l’industrie pharmaceutique ou des solutions plus avantageuses pour l’industrie de l’affichage ou des photodetecteurs intelligents. Des nanostructures à base de puits quantiques et nanofils seront spécialement conçues pour augmenter davantage la durée de vie de spin des électrons, déjà élevée, dans ZnO en supprimant efficacement le mécanisme de relaxation Dyakonov-Perel pour les puits quantiques du fait de la forme particulière de l’hamiltonien spin-orbite dans la wurtzite, et pour les nanofils, du fait du confinement spatial 2D des électrons sur des dimensions bien inférieures à la longueur spin-orbite (typiquement de l’ordre du µm). Deux ferrimagnétiques, le semi-métal Fe3O4 et le semiconducteur Fe1.5Ti0.5O3) bien adaptés à ZnO et ayant le potentiel d’une injection de spin efficace (100% de polarisation en spin à l'ambiante), seront testés et le meilleur des deux choisi pour réaliser des démonstrateurs. Nos travaux préliminaires suggèrent d’ores et déjà le fort potentiel que pourraient avoir des nanofils cœur-coquille ZnO/Fe3O4 pour l’émission de lumière polarisée circulairement à l’ambiante sans besoin de champ magnétique externe. Le succès de notre approche repose sur l'ensemble de briques constitutives individuelles, maîtrisées indépendamment par les partenaires du consortium, la gestion de risques bien identifiés, ainsi que des travaux préliminaires validant l'approche Fe3O4.

L'étude du transport thermique est un enjeu majeur avec de nombreuses implications fondamentales et technologiques. Dans ce contexte, les matériaux de basse dimensionnalité permettront de sonder une échelle jamais atteinte défiant les connaissances actuelles. Les modèles bien établis pour les cristaux classiques échouent pour des structures d'un atome d'épaisseur et des approches expérimentales et théoriques novatrices sont nécessaires. Étonnamment, un énorme effort a permis de comprendre la conduction dans le graphène tandis que le transport thermique dans les 2D en est encore à ses balbutiements. ANETHUM a pour objectif de concevoir des membranes suspendues en graphène et autres matériaux 2D pour explorer les nouvelles frontières du transport thermique. L'approche combine des expertises complémentaires dans i) la fabrication de nano-structures complexes; ii) des mesures de température résolues spatialement par spectroscopie Raman; iii) et le développement de modèles théoriques originaux.

Les nanocristaux colloïdaux sont une plateforme technologique émergente très prometteuse. Ils sont actuellement utilisés comme émetteurs dans la dernière génération d’écrans. Leur rôle en optoélectronique va se développer ultérieurement, car plusieurs compagnies sont en train d’en diversifier l’utilisation pour d’autres applications, comme la vision nocturne pour la sécurité et la conduite assistée. Dans ce contexte une application intéressante des nanocristaux est la photodétection dans le moyen infrarouge (MIR), où les technologies actuelles restent coûteuses car dominées par les semiconducteurs III-V et II-VI épitaxiés. L’objectif de ce projet est la réalisation de détecteurs MIR basés sur les nanocristaux colloïdaux, avec des performances qu’à la fin du projet seront comparables à l’état de l’art des technologies actuelles. Deux types de nanocristaux seront utilisés : HgTe dans la région 2.5-5µm, exploitant les transitions interbande ; HgSe dans la région 8-10µm, exploitant les transitions intrabandes. La principale limitation des détecteurs actuels à nanocristaux est la faible longueur de diffusion des porteurs (50-100nm), comparée à la profondeur d’absorption (quelques µm), ce qui empêche la majorité des porteurs photoexcités d’atteindre les contacts. Notre stratégie pour dépasser cette limitation est de travailler en parallèle sur trois aspects : propriétés du matériau, contrôle de l’interaction lumière-matière, optimisation de l’architecture du détecteur. Nous allons notamment tirer profit des résultats récents sur l’optimisation de la synthèse pour obtenir des porteurs de haute mobilité, ainsi que sur les architectures basées sur les plasmons et les microcavités pour exalter le champ électromagnétique dans un faible volume effectif. Cette approche est particulièrement adaptée aux compétences scientifiques présentes dans le consortium. LPENS est une équipe leader dans le domaine de l’optoélectronique quantique infrarouge et a démontré récemment un détecteur à puits quantiques de semiconducteur avec un rapport signal à bruit fortement amélioré par l’utilisation d’une microcavité plasmonique. L’INSP a réalisé des travaux pionniers sur les photodétecteurs IR à base de nanocristaux. L’IPCMS a une grande expérience dans les senseurs basés sur les nanocristaux et l’ONERA est une des équipes leader de la détection IR et des dispositifs plasmoniques. Le projet est organisé en trois workpackages (WP). Le premier est dédié à la synthèse et à la caractérisation des nanocristaux, ainsi qu’à la détermination de leur spectre électronique. Dans le deuxième WP nous étudions le transport et l’interaction lumière-matière dans des résonateurs plasmoniques. Enfin, dans le WP3 nous réalisons et caractérisons les détecteurs. Pour la réalisation des dispositifs, nous proposons une approche novatrice, qui consiste à hybrider des architectures utilisées dans l’optoélectronique III-V, ainsi que les procédés de fabrication typiques de la microélectronique, avec la synthèse des nanocristaux colloïdaux. En conséquence, une partie importante du projet consistera à adapter les procédés de fabrication des microcavités et résonateurs plasmoniques aux spécificités du système de matériaux utilisé. Cette approche nécessitera une interaction très forte entre les partenaires du consortium. La possibilité de réaliser des résonateurs plasmoniques contenant des couches de nanocristaux, avec une géométrie adaptée au transport de charge, nous permettra aussi d’étudier un problème fondamental qui va bien au-delà de la photodétection : le lien entre couplage lumière-matière et transport de charge. Plusieurs études théoriques et expérimentales récentes ont montré que le transport de charge peut être profondément modifié et exalté par la présence d’une interaction forte avec un mode de cavité. Dans ce projet ce phénomène fascinant sera étudié avec différentes architectures de résonateurs et dans des dispositifs unipolaires et bipolaires.

Les peignes de fréquences (frequency combs (FCs)) sont des sources optiques cohérentes émettant un large spectre constitué de modes discrets et parfaitement espacés, chacun ayant une fréquence absolue mesurable avec la précision d'une horloge atomique. Après 20 ans de développement dans le domaine du proche infrarouge et du visible, les peignes de fréquences ont révolutionné la métrologie des fréquences. Suite à ces développements, l’intérêt s’est récemment reporté sur les FCs dans le moyen-infrarouge (MIR 3-12 µm) pour leur utilisation en spectroscopie moléculaire. En effet, ceci permettrait de capitaliser sur l'absorption géante des modes moléculaires de vibration et de rotation dans cette région du spectre électromagnétique ainsi que la capacité à mettre en œuvre une spectroscopie améliorée en terme de vitesse, résolution, largeur de bande spectrale, sensibilité et précision par rapport aux approches classiques. Une myriade d’approches pour les FC fonctionnant dans le MIR sont actuellement à l’étude, chacune promettant d‘implémenter de nouveaux concepts à la spectroscopie MIR. Néanmoins, le fonctionnement des FCs dans la région importante de l’infrarouge ‘Mid-Wave’ (MWIR) de 3 µm à 5 µm reste considérablement sous-développé par rapport aux autres parties du MIR. Le MWIR est significatif car les produits chimiques à base d'hydrocarbures, ainsi que de composés organiques contenant de l'oxygène ou de l'azote y possèdent des signatures spectroscopiques fortes, soulignant toute l'importance du MWIR dans le contrôle des émissions environnementales et industrielles. Cette région MWIR est aussi la gamme idéale pour les lasers à cascade interbandes (ICLs). En effet, ce nouveau type d’émetteurs optiques semi-conducteurs associe une transition interbande d’un laser à diode classique au schéma en cascade des porteurs introduit par les lasers à cascade quantique (QCLs). Il est important de noter que les ICLs ont généralement des seuils de puissance pour l’action laser d'un ordre de grandeur inférieur par rapports des QCLs, ce qui les rend idéaux pour les systèmes extrêmement compacts, stables et alimentés par batterie. En outre, la dynamique de gain relativement «lente» des ICLs, contrairement aux QCLs, les rend simultanément adaptables au verrouillage des modes actifs et passifs, ce qui facilite la possibilité des FCs. Ces trois principaux points i) l’émission dans la gamme 3 - 5 µm, ii) de faibles besoins en énergie électrique et iii) de la dynamique inhérente les rendent idéaux pour un fonctionnement miniature des FC dans le MWIR. Le projet ACTIVE-COMB vise à apporter une solution technologique qui comblera cette fenêtre spectrale pour y réaliser des peignes de fréquences basés sur ICLs dans la gamme MWIR avec des puissances de sortie dans la gamme des milli-watts, en utilisant simultanément des techniques actives et passives dans une géométrie monolithique et donc extrêmement compacte. Cela reposera sur de nouvelles structures de bande, de nouveaux guides d’onde et un contrôle de la dispersion permettant de réaliser cet objectif ambitieux, ainsi que la mise au point de techniques ultra-rapide novatrice pour caractériser dans son ensemble la nature des peignes de fréquences.

Les Oscillateurs Paramétriques Optiques, OPO, sont utilisés aux longueurs d’ondes où il n’existe pas de lasers ou quand une source accordable est nécessaire. Comme ils n’existent pas sous une forme compacte, comparable aux diodes lasers, ils n’ont pour l’instant pas d’applications grand public. La réalisation d’un OPO intégré (OPOI), de taille centimétrique serait une vraie révolution dans le domaine et permettrait d’envisager une foule d’applications dans le domaine de la spectroscopie, des communications, des capteurs et du biomédical. Dans le projet OPOINt, nous avons réuni un consortium qui a toute l’expertise nécessaire pour réaliser une telle source en utilisant la plateforme des nitrures d’élément III. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de développer les techniques nécessaires et de réaliser un OPOI, pompé autour de 800 nm et couvrant toutes les plages des télécommunications (1,2 – 1,7 µm). Nous testerons différentes configurations avec l’objectif d’obtenir en première mondiale, un seuil de quelques Watts et une puissance de sortie de 100 mW.

Cette proposition aborde les deux principaux obstacles au développement du graphène pour la nano-optoélectronique à haute performance : comment l’intégrer de manière efficace, fiable, et sans contamination dans des dispositifs électroniques et comment exploiter ses propriétés exceptionnelles. Il est proposé de valider le principe de fonctionnement de transistors tunnel à effet de champ ultra-minces (UB-TFET), construits à base d’hétérostructures épitaxiales graphène / nitrure de bore bidimensionnelles (2D) avec un schéma d’intégration viable à grande échelle. Les transistors TFET sont une alternative efficace aux transistors à effet de champ standards, inopérants pour le graphène en l'absence de bande interdite. Ils devraient dépasser la limite de pente de sous-saturation des transistors communs, d’où le grand intérêt que leur porte l’industrie. Le TFET sera basé sur du graphène épitaxié sur monocristal de SiC (épigraphène ou EG) ; la mise en œuvre la plus avancée utilisera la conductance exceptionnelle des nano-rubans EG récemment découverte. Ceux ci sont des conducteurs balistiques quantifiés à température ambiante. Mais avoir un excellent graphène est loin d’avoir un dispositif et le composant actif doit être intégré. Ce projet est basé sur l’idée fondamentale que seule une croissance (hétéro) épitaxiale peut fournir le contrôle atomique requis pour des dispositifs fiables. La croissance épitaxiale assure des interfaces propres et une orientation précise des couches empilées, en évitant les molécules piégées et le caractère aléatoire inhérent au transfert de couche. Cependant, très peu de progrès ont été accomplis jusqu'à présent dans la fabrication de couche diélectriques 2D sur le graphène; la plupart des dépôts nécessitent une altération de la surface du graphène pour leur adhérence, ce qui compromet irrémédiablement ses performances électroniques. Les couches de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sont considérées comme le meilleur substrat pour le graphène, mais seuls des flocons de BN de taille micrométrique sont disponibles, rendant l'intégration fastidieuse, peu fiable et impossible à grande échelle. Nous proposons donc de développer l'épitaxie de h-BN sur EG par dépôt en phase vapeur d’organométallique (MOVPE). Nos travaux préliminaires montrent que cette technique fournit des interfaces épitaxiales graphène / h-BN inégalées, compatibles avec l'électronique haute performance et des capacités de montée en gamme immédiate. L'hétérostructure SiC / EG / h-BN donnera accès aux propriétés du graphène dans un environnement exceptionnellement reproductible et propre, non disponible autrement. Les conditions de croissance seront étudiées pour produire un h-BN ultra mince sur EG, qui n'a pas encore été atteint. Cette proposition suivra ensuite deux voies pour construire des prototypes UB-TFET verticaux et latéraux. C'est une alternative extrêmement prometteuse au paradigme standard des FET, qui pourrait permettre un fonctionnement à très haute fréquence ainsi qu'un fonctionnement à faible consommation. Ce projet est un partenariat étroit et bien ciblé entre trois équipes ayant un passé de collaboration très réussie et une parfaite complémentarité: CNRS-Institut Néel (Grenoble), CNRS / ONERA-Laboratoire d’étude des Matériaux (Châtillon) et CNRS / Georgia Institute de la technologie -UMI 2958 (Metz, en collaboration avec GT Atlanta). Nous nous appuierons sur l’important jalon de la croissance épitaxiale de h-BN sur EG, pour développer le BN ultra-mince et la fabrication de dispositifs transistors. L’IN se chargera de la fourniture d’épigraphène, concevra et réalisera les dispositifs et effectuera les mesures de transport; l'équipe UMI produira le film épitaxial BN et fournira une étude structurale de base pour une optimisation rapide du processus de croissance; le LEM réalisera les études structurales et optiques avancées, notamment des études HR-TEM, essentielles à la caractérisation des couches de films 2D ultra-minces.

La recherche sur les systèmes mobiles implique entre autres l'analyse de données spatio-temporelles. Les grandes entreprises de technologie et les opérateurs de télécommunications collectent diverses mesures car ils ont un accès direct aux données utilisateurs. Malheureusement, la collecte de jeux de données mobiles est une tâche difficile pour les chercheurs académiques pour plusieurs raisons. Premièrement, recruter des volontaires demande un effort considérable. Deuxièmement, il est probable que l’on ait accès à un échantillon homogène d’utilisateurs, ce qui conduit à une vision incomplète de la cible mesurée. Ces inconvénients sont intrinsèquement liés au fait que les campagnes de collecte de données adoptent des stratégies de mesure actives et intrusives. Dans le projet Mitik, nous proposons de nous appuyer sur des mesures passives non intrusives pour déduire la mobilité des nœuds et leurs interactions potentielles lors de leurs déplacements. À cette fin, nous proposons le déploiement d'un certain nombre de "sondes" dont le but est d'écouter l'activité sans fil dans une zone cible donnée. Si déployées correctement, ces sondes peuvent fournir suffisamment d'informations pour capturer la mobilité des nœuds. Mais ces mesures passives ont un prix - les sondes ayant une vue binaire des nœuds (soit elles les voient, soit elles ne les voient pas), la caractérisation précise de la mobilité est une tâche difficile. Pour faire face à cette spécificité, Mitik adopte une méthodologie impliquant: (i) des techniques d'optimisation pour un placement efficace des sondes, (ii) la détection d'anomalies pour le filtrage des mesures sans fil bruitées, (iii) des stratégies de synchronisation pour la fusion de données provenant de plusieurs sondes, (iv) des techniques de reconstruction de trajectoire, (v) l'inférence de contacts à partir d'estimations approximatives de trajectoires et (vi) la protection de la vie privée des utilisateurs. Pour atteindre les objectifs du projet, il faut relever trois grands défis scientifiques et technologiques : - Défi 1 (conception de l'infrastructure des mesure) : Combien, où et quel type de sondes doivent être déployées ? Ces questions révèlent le besoin de spécifications de protocole et de matériel, ainsi que de stratégies de placement optimisées. - Défi 2 (Traitement, nettoyage et fusion des traces) : L'obtention de mesures précises implique la gestion des erreurs, le filtrage et la synchronisation, l'analyse de paquets ainsi que la fusion des traces des sondes, tout en protégeant la confidentialité des utilisateurs conformément aux directives du GDPR. - Défi 3 (Reconstruction de trajectoire et inférence de contact) Deux facteurs rendent difficile le calcul de la trajectoire : les incertitudes de communication induites par le canal sans fil et l’impossibilité de mesurer précisément les distances géographiques séparant les nœuds mobiles des sondes. Par conséquent, nous obtenons plutôt ce que nous appelons une enveloppe de trajectoire, qui doit être aussi étroite que possible. En résumé, l'objectif principal de Mitik est la conception d'une méthodologie entièrement nouvelle pour aider la communauté à obtenir de véritables traces de contacts sans fil non intrusives, représentatives et indépendantes d'entités tierces. Aussi, nous visons la publication (1) de l’outil de mesure conçu, (2) des traces de contact propres, traitées et préservant l'anonymat et la confidentialité de l'emplacement des utilisateurs et (3) leur analyse statistique. Enfin, nous prévoyons de confronter les nouvelles connaissances issues de notre analyse aux observations trouvées dans la littérature.

Le projet Meryt se fixe pour objectif de construire un modèle chronologique absolu précis, complexe et multi-techniques de l’Ancien Empire égyptien (~3000-2400 AEC), par une approche intégrée rassemblant les critères d’analyses de l’égyptologie, l’archéologie et l’archéométrie. S’inscrivant dans une démarche interdisciplinaire d’archéologie intégrative, il répond à deux enjeux majeurs : 1)Élaborer un cadre chronologique de l’Ancien Empire égyptien, règne par règne, par la construction d’un modèle statistique réconciliant les données égyptologiques et analytiques ; 2)Adapter la courbe de calibration 14C IntCal pour prendre en compte les conditions environnementales propres à l’Égypte afin de rendre performante la méthode de datation 14C pour cet espace géographique. Porté par le pôle archéométrie de l’Ifao et soutenu par un consortium d’égyptologues, archéologues, archéomètres, conservateurs, physiciens et statisticiens, ce projet implique sept unités de recherche (Ifao, Orient&Méditerranée, Monaris, APC, LAPTH, MNHN, LMC14) et s’organise suivant quatre axes. -Historiques : pour chacun des quelque 30 règnes, nous réévaluerons tous les indices chronométriques disponibles issus de sources archéologiques, historiques et textuelles, afin de recenser l’ensemble des attestations de règnes et d’évaluer leur fiabilité. Confrontées aux découvertes archéologiques récentes, ces données permettront d’établir différents schémas de chronologies relatives possibles. -Archéométriques : une base de données de plus d’une centaine de datations 14C sera constituée sur des échantillons provenant de sites archéologiques en cours de fouille et collectés en contexte précis. Ces analyses seront réalisées dans le seul laboratoire de datations en activité en Égypte, dont est responsable la porteuse de ce projet. Au-delà de « dater », l’enjeu sera aussi de mettre en cohérence l’échantillon analysé avec l’événement archéologique qui lui est associé. Pour cela, nous nous attacherons à échantillonner de « bons » spécimens et identifier clairement les contextes archéologiques associés. Si la datation 14C constitue le « fil d’ariane » analytique du projet, tous les champs de l’archéométrie seront mobilisés. -Méthodologiques : un enjeu fort sera de vérifier l’applicabilité de la courbe de calibration 14C IntCal13 à l’Égypte et le cas échéant, déterminer des écarts régionaux. Ces possibles décalages à IntCal pourraient s’expliquer par des variations saisonnières de la teneur en 14CO2 dans l’atmosphère, liées aux conditions environnementales particulières qu’entrainait la crue annuelle du Nil avant la construction du Haut Barrage. Afin d’identifier ces possibles écarts, nous évaluerons d’abord les teneurs résiduelles en 14C de spécimens botaniques conservés dans l’Herbier du MNHN, rassemblés durant l’Expédition d’Égypte (1798-1801), et dont l’année et le lieu de récolte sont documentés. Nous prolongerons cette étude sur des papyri d’époque gréco-romaine et arabe dont l’année de rédaction est mentionnée dans le texte, afin d’estimer si les écarts observés au XIXe siècle furent constants dans le temps. -Statistiques : nous bâtirons un véritable modèle chronologique reposant sur un formalisme statistique solide et rassemblant de façon cohérente l’ensemble des contraintes hétérogènes déduites des trois premiers axes. Entièrement produit par le présent consortium, le modèle final simulera des densités d’âge et des estimations précises de leurs incertitudes pour chacun des règnes de l’Ancien Empire. MERYT fixera la première chronologie absolue holistique de l’Ancien Empire faisant consensus entre égyptologues et archéomètres. L’impact ira au-delà de la seule égyptologie puisque cette révision aura des conséquences sur la chronologie de toutes les civilisations du bassin oriental de la Méditerranée au IIIe millénaire, reposant largement sur la chronologie égyptienne, soulignant l’apport des approches analytiques et modélisantes dans la recherche archéologique.

Le stade isotopique (MIS) 11 (incluant localement le MIS 10) est une étape cruciale de l’évolution humaine en Europe et une rupture. Après le stade glaciaire MIS 12 considéré comme une crise climatique majeure, le nombre d’occupations augmente; de nouveaux comportements de subsistance et des innovations techniques apparaissent et une régionalisation des traditions semble se mettre en place. Cette rupture, qui correspond à la fin du Paléolithique inférieur (et Acheuléen) et au début du Paléolithique moyen, est sous-étudiée, en particulier les processus qui expliquent pourquoi et comment les innovations apparaissent et se diffusent parmi les populations. Les raisons conduisant à ces modifications, repoussant les racines du monde néandertalien, sont encore à identifier : (1) Est-ce que cette évolution prend source dans les traditions préexistantes ?, (2) Est-ce dû à l’arrivée de nouvelles populations et/ou à l’émergence de Neandertal parmi les groupes d’hominidés du Pléistocène moyen ?, (3) Est-ce la croissance de la population qui conduit à la mise en place d’une régionalisation et à la diffusion des innovations, ou/et (4) Est-ce due à une adaptation aux changements environnementaux suite aux modifications des cycles climatiques ? Le MIS 12 est une sévère période froide. Le MIS 11 est un exceptionnel long interglaciaire qui a pu encourager l’occupation humaine en Europe et permettre une plus grande disponibilité de la biomasse et des grands herbivores, affectant du coup la mobilité des groupes humains. NEANDROOTS est un projet interdisciplinaire qui propose : (1) de réaliser une large base de données archéologiques entre 450 et 350 ka, (2) d’enrichir et uniformiser les données chronologiques des sites et les données environnementales, (3) de développer des approches méthodologiques afin d’identifier les traits régionaux et proposer des modèles de diffusion des innovations, (4) de modéliser le rôle de la taille et structure des populations, et (5) tester l’impact de l’évolution climatique sur l’adaptation humaine (modèles iLOVECLIM et ECNM). Cette contribution multidisciplinaire concerne une période clé de l’histoire humaine mal connue et a comme objectif de: (1) proposer des modèles des réponses humaines à de nouveaux (et variés) environnements basés sur la disparition et l’acquisition d’outillages et d’expertises, (2) comprendre les mécanismes de transmission culturelle au cours du temps et les processus avec lesquels les innovations et les inventions se développent et sont maintenues. L’objectif est de contribuer à comprendre le plus ancien cycle de régionalisation européen, bien antérieur à celui contemporain de la fin des Néandertaliens (MIS 4-3). Cette approche n’a jamais été appliquée pour le début du monde néandertalien. La réalisation d’une chronostratigraphie unifiée aidera à replacer dans le temps les nouveaux comportements, les avancées technologiques et les modifications anatomiques des hominidés dans leur cadre climatique et environnemental. La réalisation de cartes synthétiques à haute résolution permettra de corréler les données climatiques, environnementales et archéologiques. Cette analyse détaillée des interactions entre Humains et Environnements pourrait devenir un modèle pour comprendre des évolutions analogues, entre passé et présent. Enfin, nous questionnons la question de la résilience des sociétés face aux changements climatiques. L’étroite association entre les mécanismes physiques, les données climatiques et archéologiques repoussera les limites des méthodes utilisées à ce jour. Ce projet interdisciplinaire implique sept équipes françaises, chacune avec des compétences complémentaires : MNHN, LSCE, EPOC/PACEA/Université de Bordeaux, IGE, LMD, LGP et Université de Lille. Un large réseau européen contribue également à ce projet, regroupant des préhistoriens, un anthropologue, des tracéologues et un spécialiste de la modélisation en paleodémographie.

Pleurer est la stratégie principale dont dispose le nouveau-né humain pour obtenir des soins parentaux. Pourtant, nous n'avons actuellement qu'une compréhension superficielle de l'information portée par les pleurs et de la façon dont les parents les interprètent et y répondent. En utilisant des outils modernes de traitement du signal et des expériences psycho-acoustiques couplées à des investigations physiologiques, ce projet permettra d'étudier tant l'information contenue dans les pleurs que les facteurs influençant le comportement et la réponse cérébrale des adultes à des pleurs provoqués par différents niveaux de stress. Le projet consistera en quatre tâches principales : - rechercher des corrélations entre structure acoustique des pleurs et le niveau de stress, et mettre en évidence des corrélations avec des biomarqueurs indicateurs physiologiques du stress. - étudier la réponse des adultes à des pleurs suscités par différents niveaux de stress ainsi que les caractéristiques acoustiques qui pilotent la perception et la réaction empathique des adultes. - décrire comment les adultes peuvent se familiariser avec les pleurs de leur bébé, et les effets de cette familiarisation sur la perception des pleurs. - tester si et comment le sexe et des facteurs culturels peuvent moduler la perception des pleurs par les parents et les autres personnes en charge du bébé. Nous utiliserons une approche multidisciplinaire impliquant traitement du signal, expériences psycho-acoustiques, expériences d'imagerie cérébrale par IRMf, et investigations physiologiques. Notre projet est innovant car nous abordons de nouvelles questions scientifiques avec des méthodes qui n'ont jamais été utilisées pour étudier la forme et la fonction des pleurs de bébés (par exemple re-synthèse des signaux sonores, surveillance en temps réel de l'activité nerveuse autonome couplée à l'analyse en temps réel du pleur). Nous visons ainsi des publications dans des revues internationales de haut rang (nous avons déjà publié un article dans "Nature Communications" sur ce sujet). Le projet est piloté par un chercheur présentant un historique de publications conséquent, ainsi que des compétences reconnues en gestion de projet. Nous avons conçu nos missions et expériences pour profiter au maximum d'une synergie entre les partenaires. La faisabilité de la plupart des aspects du projet a déjà été démontrée. Nous avons identifié un verrou technologique qui devrait pouvoir être levé grâce à une collaboration étroite entre les partenaires. Le projet devrait avoir un impact élevé tant au niveau scientifique que sociétal. Nous prendrons soin de communiquer nos travaux tant au grand public qu'aux spécialistes de la petite enfance.

Outils omniprésents en imagerie biologique, les protéines fluorescentes (PF) de la famille de la GFP présentent une variété de réactions photochimiques dont les mécanismes ne sont encore que partiellement compris. Certaines de ces réactions ont conduit à des applications innovantes. Les méthodes d’imagerie à contraste dynamique exploitent ainsi la dynamique de transition de protéines fluorescentes photocommutables (PFPC) entre leurs états ON et OFF pour les imager sélectivement en présence d’espèces spectralement similaires, photocommutables ou non. Notre consortium de photochimistes, de spectroscopistes et de théoriciens se propose d’examiner deux aspects encore méconnus de la photochimie des PF présentant un intérêt élevé pour l’imagerie à contraste dynamique : - la formation, la photoréactivité et la dynamique des états triplets ; - la nature et les cinétiques des étapes de photocommutation µs-ms des PFPC. Nos objectifs sont plus précisément : 1) de caractériser sur un plan fondamental les mécanismes et la dynamique de ces réactions ainsi que leur sensibilité à l’environnement protéique dans différentes PF ; 2) de développer de nouveaux protocoles d’imagerie de fluorescence confocale à contraste dynamique exploitant ces réactions. Le projet s’appuie sur des travaux récents (auxquels a contribué le partenaire 2) indiquant que les PF standard, considérées auparavant comme non-photocommutables, peuvent en fait être photocommutées de manière réversible entre leurs états singulet et triplet. Ces propriétés de photocommutation font des PF standard des sondes très prometteuses pour l’imagerie à contraste dynamique, en complément des PFPC. Du fait de leurs rendements faibles (~1%) et de leurs durées de vie courtes (ms), la formation des états triplets de PF nécessite des densités d’illumination élevées, qui peuvent être réalisées en microscopie confocale à balayage (10-100 kW.cm-2). Dans ces conditions d’illumination, la dynamique de photocommutation des PFPC est limitée par la cinétique d’étapes thermiques (échelle µs-ms). Les processus de croisement intersystème dans les PF, ainsi que les étapes thermiques de photocommutation des PFPC, seront étudiés sur le plan fondamental par une combinaison originale d’approches expérimentales utilisant une illumination soit continue, soit pulsée pour induire la photochimie. Le partenaire 2 réalisera des mesures de spectroscopie résolue en temps de type pompe-sonde et pompe-pompe-sonde aux échelles ns-µs-ms sur des protéines sélectionnées, afin de caractériser leurs mécanismes en détail (y compris la fluorescence et la photoréactivité d’espèces de durée de vie courte). Les effets d’environnement seront étudiés en déterminant les paramètres photodynamiques (section efficace et durée de vie de triplet, temps caractéristiques de photocommutation à haute intensité, etc.) de séries de PF et de PFPC, grâce à un montage optique automatisé récemment développé par le partenaire 1 et fournissant une illumination continue d’intensité variable jusqu’à ~100 kW.cm-2. Les partenaires 1 et 3 exploiteront ensuite l’ajustabilité des paramètres de balayage d’un microscope confocal commercial pour concevoir théoriquement, puis mettre en œuvre des protocoles d’imagerie permettant de distinguer plusieurs PF ou PFPC grâce à leur dynamique de triplet ou de photocommutation. Notre projet fera progresser la connaissance de la photochimie des PF et des PFPC. Ces avancées fondamentales devraient avoir un impact dans le domaine de l’imagerie de fluorescence en général. On peut en effet supposer que l’accumulation d’états triplets de PF conduit à des signaux de fluorescence réduits dans un grand nombre d’expériences d’imagerie. Le projet devrait en outre élargir de manière significative la portée de l’imagerie à contraste dynamique en l’ouvrant à de nouveaux fluorophores, de nouveaux paramètres de discrimination et de nouveaux modes d’imagerie.

Développement des Méthodes de la Cristallographie-X en Série pour les Systèmes Hybrides d’Energie Les Metal Organic Frameworks (MOF) et les PolyOxoMetalates (POM) sont des matériaux cristallins au premier plan de la conception de nouveaux systèmes de stockage et de conversion de l'énergie. Les fonctionnalités des MOFs et POMs peuvent être rationnellement conçues à condition de disposer d'une connaissance détaillée de leurs structures cristallines. Cependant, la taille physique des cristaux de MOFs et POMs empêche souvent la détermination sans ambiguïté de leurs structures cristallines par la diffraction-X sur poudre ou des électrons. Les techniques de cristallographie en série au synchrotron (SSX) peuvent être facilement adaptées aux MOFs et POMs - non pas pour éviter les dommages causés par les rayons-X, mais plutôt pour manipuler plus facilement des cristaux minuscules ou pour réaliser des études in situ et à résolution temporelle. Nous visons à développer des méthodes de cristallographie en série spécifiques pour les systèmes micro- et nano-cristallins des MOFs et POMs.

Ce projet est une étude théorique de la dynamique d’une molécule adsorbée sur un substrat cristallin métallique. Depuis les travaux pionniers de Langmuir, nous savons que les processus d’adsorption jouent un rôle essentiel dans le cadre de la catalyse hétérogène. Le Prix Nobel de Chimie 2007, qui a été attribué à G. Ertl pour ses avancées expérimentales concernant, entre autres, la compréhension des étapes élémentaires de la synthèse de l’ammoniac sur le fer, a souligné l’importance de cette recherche pour la société mondiale. Néanmoins, cette compréhension reste phénoménologique: très peu d’études fondamentales fondées sur la dynamique quantique de l’adsorption moléculaire ont été réalisées à un niveau microscopique. Un aspect dynamique fondamental est la diffusion le long du substrat. Potentiellement la meilleure technique expérimentale d’étude de dette propriété des matériaux est fondée sur les expériences de spin-echo par diffusion de hélium-3. Ces expériences s’appuient sur l’analyse de deux grandeurs proposées par van Hove en 1954 : le facteur dynamique structurel (DSF) et sa transformée de Fourier, la fonction intermédiaire de diffusion (ISF). La détermination théorique des observables liées à ces fonctions est très difficile. Dans le projet précédant DYQUMA, une méthode purement quantique du calcul de taux de diffusion à partir de la DSF a été mis en place avec succès. Néanmoins, des controverses importantes dans l’interprétation de données expérimentales ont persisté et plusieurs questions demeurent encore sans réponse depuis cela, dont deux émergent : Comment évaluer théoriquement la fonction intermédiaire de diffusion (ISF), elle-même expérimentalement observable ? Quel est le rôle précis des durées de vie des états vibrationnellement excités des adsorbats, dont l’existence est due au couplage avec les phonons ou des pairs électron-trous ? Des réponses pertinentes à ces questions nous permettront de résoudre les controverses qui persistent ; elles vont paver le chemin pour de futures recherches en science de surface et guider les processus catalytiques ; elles auront par conséquent une pertinence technologique importante tant dans la phase gazeuse que dans le domaine de la catalyse hétérogène et la chimie des surfaces. Nous allons nous concentrer sur l’approche microscopique, quantitative et rigoureuse d’une certaine classe de systèmes importants. Les différents paramètres qui peuvent influer sur la physique du processus seront pris en compte de façon assez complète. Dans ce projet, la dynamique des atomes et molécules adsorbés sera traitée quantiquement. La compréhension des effets quantiques est fortement susceptible de déboucher sur des applications technologiques dans les domaines mentionnés ci-dessus. Deux difficultés théoriques majeures seront abordées : tout d’abord il faut calculer la dynamique dans des espaces de hautes dimensionnalités; le défi réside dans la densité d’états vibrationnels qui augmente rapidement en raison des basses énergies liées au mouvement frustré de translation parallèle au substrat bien comme des rotations frustrées des molécules adsorbées; puisque des calculs de premier principe des surfaces de potentiel sont extrêmement difficiles dans la limite où une molécule se trouve tout seule sur le substrat, la modélisation de la dynamique quantique représente un défi formidable. De plus, afin d'étudier de façon réaliste la dynamique même d'une seule particule adsorbée, il est nécessaire de considérer en outre les couplages au quasi-continuum d'état électroniques du substrat, le couplage aux phonons de celui-ci et, potentiellement, d'autres couplages non-adiabatiques aux états électroniques excités de l'adsorbat. Dans ce projet, nous allons nous lancer à l’assaut de tous ces défis.

Comprendre les conséquences de l'interaction de la matière biologique ou des molécules prébiotiques avec les rayonnements ionisants est d'une importance fondamentale pour accomplir des progrès en médecine, en radiothérapie ou en radioprotection ainsi que pour verifier l’hypothése de la panspermie. Les processus à l'œuvre dans les premières picosecondes suivant l'irradiation sont largement inconnus. La multitude d'espèces hautement réactives, électroniquement et vibrationnellement excitées, produites par irradiation devrait générer une chimie très spécifique, conduisant à des dommages chimiques non encore identifiés sur l'ADN et les protéines. Dans le cas des molécules prébiotiques piégées dans des glaces interstellaires, l'irradiation pourrait avoir causé leurs destruction ou, à l'inverse avoir catalysé leur complexification avant dépôt éventuel sur terre par les comètes. RUBI a ainsi pour ambition d'explorer la physico-chimie ultrarapide produite par irradiation de molécules complexes. Nous chercherons une synergie entre différents types de simulations moléculaires ab initio, domaines dans l’expertise desquels nos laboratoires sont reconnus. L'irradiation de la matière par des particules chargées de haute énergie génère une pléthore d'espèces hautement réactives. Ces dernières sont probablement à l’origine d’une chimie riche et non conventionnelle se déroulant sur les échelles de temps ultrarapides. Ces dommages radiatifs directs sont encore largement inconnus, en raison des formidables défis techniques liés à leur exploration. Les techniques de simulation sophistiquées utilisées dans RUBI permettront d'explorer ce territoire pour la première fois dans des systèmes biologiques complexes (ADN, protéines, complexes ADN/protéines) et des modèles de molécules prébiotiques piégées dans des modèles de glace du milieu interstellaire. Des simulations reposant sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité dépendant du temps permettront d'atteindre le régime attoseconde caractérisant la collision de la matière par les particules de haute énergie ainsi que le dynamique électronique qui en découle. Le couplage avec les méthodes de dynamique moléculaire permettra de simuler les réactions chimiques se déroulant sur les échelles de temps femto- et picoseconde. Ainsi ces simulations permettront de comprendre les mécanismes complexes de redistribution d'énergie, de migration de charge ultrarapide, de transferts de protons et de réactivité dans des molécules d'intérêt biologique. Les simulations seront réalisées selon des schémas hybrides de type QM/MM polarisables (Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics) afin de rendre compte explicitement de l'hétérogénéité structurale des bio-macromolécules et du solvant ou des glaces. Pour aller plus loin encore dans la capacité de nos approches numériques à décrire de manière réaliste ces processus, nous mettrons en place des approches innovantes utilisant une approximation de la DFT (DFT Tight Binding, DFTB). Le coût de calcul très avantageux de la DFTB permettra de traiter des systèmes plus grands et d'aborder des questions brûlantes du domaine telles que la formation de dommages multiples sur l'ADN irradié et les transferts de charges le long des brins d'ADN. RUBI devrait avoir un impact considérable sur notre compréhension des mécanismes primaires impliqués dans l'irradiation de la matière biologique. C'est un sujet brûlant dans de nombreux domaines de recherche (radiothérapies, radioprotection, énergie nucléaire, astrochimie …). De même nous espérons fournir des éléments totalement nouveaux concernant la chimie induite par les rayonnements sur les glaces du milieu interstellaire. Ainsi serons en mesure de mieux comprendre l'une des possibles étapes ayant conduit à l'apport de molécules prébiotiques sur terre Les outils théoriques développés dans ce projet seront mis à la disposition de la communauté à travers la diffusion dans les codes deMon et deMonNano.

Notre objectif est double et va de la compréhension fondamentale du processus de séparation d’isomères avec la spectrométrie de mobilité différentielle (DMS) couplée à la spectrométrie de masse tandem (MS/MS) au développement de méthodologies robustes pour la séparation, l’identification et la quantification pour l’analyse métabolomique ciblée. Notre ambition est donc de faire un trait d’union entre les physico-chimistes de la phase gazeuse (partenaire 1) et les biologistes cliniciens (partenaire 2). Notre idée est de coupler trois techniques orthogonales : DMS, MS/MS, et une méthode de fragmentation résolue en isomère basée sur l’absorption infrarouge, qui peut être considérée comme une méthode « selective multiple reaction monitoring » (IR-MRM). La preuve de principe de l’application de la méthode DMS-MS/MS(IR) pour l’identification de métabolites isomères a été publiée en 2018. Les protocoles standards courants basés sur le couplage de la chromatographie liquide et de la spectrométrie de masse tandem (LC-MS/MS) ont des inconvénients qui pourraient être dépassés par le DMS-MS/MS(IR) : de larges volumes de solvants (toxiques) à recycler, et le fait que seulement un jeu de molécules présentant des polarités comparables peut être séparé isocratiquement. De plus, la séparation de métabolites d’intérêt de leurs isobares/isomères est souvent difficile. Via l’étude systématique de jeux de métabolites ciblés, d’intérêt pour plusieurs MDs, nous voulons mettre au défi la robustesse du DMS. Nos cibles analytiques sont des biomarqueurs de maladies métabolomiques MMs, qui résultent de déficits génétiques du métabolisme qui mettent en jeu le pronostic vital du patient et mènent inéluctablement à des dysfonctions d’organes tels que le cerveau, le foie, le cœur, les reins, les muscles… Deux applications dédiées au diagnostic des MM seront réalisées abordant l’urgence diagnostique et le dépistage néonatal à partir du sang.

La compréhension théorique des propriétés de solvatation de molécules / macromolécules / interfaces dans les domaines de la biologie, de la santé, de la physique colloïdale, de l'électrochimie, etc, requiert un niveau de description à solvant moléculaire explicite et champs de force atome-atome classiques. A côté de la simulation numérique trop gourmande en temps de calcul, a émergé récemment une théorie des liquides très performante basée sur la DFT Moléculaire 3D qui permet de calculer très rapidement le profil de densité spatiale et angulaire du solvant autour du soluté ainsi que l'énergie libre de solvatation de ce dernier. Pour l'instant, cette MDFT est réalisée dans le cadre de l'approximation HNC qui néglige les fonctions de corrélation dites "bridge". Il s'avère que pour les solvants fortement polaires à liaison hydrogène, l'eau en 1er lieu, HNC conduit à des désaccords quantitatifs. Le projet BRIDGE consiste alors à aller au-delà de cette approximation standard en construisant des fonctionnelles ou fonctions bridge efficaces. L'expérience très large du consortium en physique statistique des liquides va permettre d'étendre les approches des liquides simples constitués de particules sphériques aux cas de solvants moléculaires et solutés à interactions et corrélations hautement anisotropes. 4 voies vont être explorées en parallèle: 1) Ignorer dans une 1ère étape la variation angulaire, emprunter les fonctionnelles de type sphère dure bien connues ou construire des fonctionnelles simples polynomiales d'une densité spatiale pondérée. 2) Résoudre la MDFT/HNC autour d'un dimère soluté+1 molécule de solvant, à position/orientation relative fixée, ce qui revient à utiliser l'approximation HNC "plus haut dans la hiérarchie des équations intégrales" (pour dimère-solvant), donc avec moins d'impact sur la corrélation de paires. Le potentiel de force moyenne soluté-solvant résultant permettra d'extraire une fonction bridge. 3) La fonctionnelle exacte peut s'écrire formellement comme un développement faisant intervenir N=2 puis 3, puis 4… molécules de solvant, couplées par les fonctions de corrélation directes à N corps, l'approximation HNC s'arrêtant à N=2. De manière fondamentale et ambitieuse, il s'agira ici de calculer le terme suivant, la fonctionnelle bridge à N=3 corps, en étendant ce qui a été fait dans la littérature pour des sphères. La fonction c(3)(1,2,3) du solvant sera approximée par t(12)t(13)t(23) avec la fonction de paires t déduite d'une cohérence thermodynamique. 4) Le raisonnement ici est à l'opposé de ce qui se fait habituellement: on part du résultat final exact, fourni par des données très précises de simulation en termes de profil spatial/angulaire, et on inverse le problème de physique statistique, équation Ornstein-Zernike+équation intégrale, afin d'extraire la fonction bridge soluté-solvant exacte. Il s'agira ensuite de définir des comportements systématiques et de remonter à la fonctionnelle bridge. Ce projet va nécessiter la mise au point de théories, d'algorithmes et de codes numériques très efficaces et la résolution systématique de MDFT et de simulation pour un grand nombre de solutés au moyen de ressources informatiques importantes. Une fois que des fonctionnelles bridges optimisées seront validées, l'approche MDFT s’affirmera par elle-même comme un outil de prédiction efficace et compétitif, indépendamment des simulations. Elle pourra être utilisée par la communauté de manière routinière afin de comprendre au mieux les systèmes réels. De telles applications seront effectuées à la fin du projet. Le budget demandé correspond essentiellement à 3 années de post-doc et l'achat d'ordinateurs.

En raison de sa sensibilité aux fluctuations ultra-rapides et aux couplages entre modes vibrationnels, la spectroscopie infrarouge bidimensionnelle (2DIR) a produit au cours des vingt dernières années une mine d'informations sur les réactions chimiques et biochimiques. Par ailleurs, de récents progrès en technologies biomoléculaires permettent aujourd’hui de substituer un acide aminé non naturel à un résidu choisi arbitrairement au sein d’une protéine. Certains de ces acides aminés non naturels constituant des sondes vibrationnelles locales, l’association de cette technique à la spectroscopie 2DIR peut apporter une résolution spatio-temporelle à l’étude de la dynamique structurale des protéines. Cependant, le développement de cette approche émergente reste entravé par les performances des spectromètres 2DIR actuels, reposant le plus souvent sur des sources de type Titane:Saphir fonctionnant à un taux de répétition de 1 à 10 kHz. L’objectif du projet MIRTHYX est de lever ce verrou technologique en développant un spectromètre 2DIR de nouvelle génération s’appuyant sur des sources lasers directement pompées par diode, et d’appliquer ce nouvel instrument à l’étude de la dynamique structurale de la flavoenzyme ThyX. Le projet sera conduit par trois partenaires: deux partenaires académiques, le Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB) et le Laboratoire Charles Fabry (LCF), ainsi qu’un partenaire industriel, Amplitude Systèmes (AS). La remarquable complémentarité des membres du Consortium ainsi constitué permettra de couvrir le large éventail de compétences nécessaires à la réalisation de ce projet pluridisciplinaire, impliquant des technologies laser, la génération et la caractérisation d'impulsions dans l'infrarouge moyen (MIR), la spectroscopie 2DIR et les biotechnologies. Un atout majeur du projet MIRTHYX réside dans la récente percée, publiée début 2019 par deux des partenaires (LCF et AS), consistant en une post-compression efficace jusqu'à 7 fs d'impulsions de 300 fs produites par un laser YDFA (Ytterbium-Doped Fiber Amplifier). La largeur spectrale des impulsions ainsi produites est suffisamment grande pour que des impulsions MIR puissent être directement obtenues par différence de fréquences intra-impulsion. Cette approche permettra de produire des impulsions MIR de manière simple et efficace, à un taux de répétition de 125 kHz, optimal pour la spectroscopie 2DIR. Cette source femtoseconde MIR sera associée à un interféromètre compact et à balayage rapide associé à un système de détection par conversion de fréquence conférant au dispositif une excellente résolution spectrale pour la sonde comme pour la pompe. Le spectromètre 2DIR ainsi constitué sera appliqué à l’étude de la dynamique structurale de la flavoenzyme ThyX, une alternative bactérienne de la Thymidylate Synthase, dont le rôle est de produire le nucléotide associé à la lettre T de l'ADN. La flavoenzyme ThyX étant présente dans nombre de bactéries pathogènes, tout en étant totalement absente chez l'être humain, elle constitue une cible prometteuse pour de nouveaux antibiotiques. En association avec des simulations de dynamique moléculaire, la spectroscopie multidimensionnelle nous permettra de mieux comprendre comment certains substrats ou inhibiteurs agissent sur les fluctuations de structure de la protéine aux différents sites auxquels seront substituées nos sondes vibrationnelles locales. Nos travaux pourront ainsi contribuer à l’optimisation de nouveaux inhibiteurs. Au-delà de son impact scientifique sur la spectroscopie 2DIR dans les protéines, le projet MIRTHYX se traduira également par une série de développements instrumentaux en termes de génération et caractérisation d’impulsions MIR, ainsi que de spectroscopie 2DIR. La participation du partenaire industriel sera donc essentielle, non seulement pour le développement de la source MIR elle-même, mais aussi en vue d’une valorisation des instruments innovants qui seront développés lors du projet.

Les mousses liquides sont des réseaux de bulles qui sont connus pour leurs propriétés complexes d'écoulement. Selon la sollicitation mécanique, une mousse peut présenter une réponse élastique ou un écoulement. La rhéologie des mousses a été le sujet de nombreuses études par le passé mais la description rhéologique est encore largement débattue. Lors d'une mesure, une attention particulière doit être portée sur les conditions de l'interface mousse-solide. La technique courante consiste à utiliser du papier de verre sur les surfaces pour éviter le glissement aux parrois. En fait, à notre connaissance, aucune étude systématique n'a tenté de quantifier le glissement d'une mousse sur une surface solide. L'objectif de ce projet est de rationaliser expérimentalement le rôle des conditions aux limites sur trois aspects. Notre approche combine principalement des expériences et des modèles simples basés sur l'analyse en loi d'échelle. Nous utiliserons l'expertise du laboratoire hôte sur les techniques de microfabrication, de génération de mousse, de visualisation et d'analyse d'images, de mesures de force et de rhéologie. Dans un premier temps, nous étudierons l'effet des paramètres géométriques des aspérités (largeur, hauteur, espacement) sur des mousses monodisperses à fraction liquide contrôlée. Notre approche combine principalement des expériences et des modèles simples basés sur l'analyse en loi d'échelle. Nous utiliserons l'expertise du laboratoire hôte sur les techniques de microfabrication, de génération de mousse, de visualisation et d'analyse d'images, de mesures de force et de rhéologie. Dans un premier temps, nous étudierons l'effet des paramètres géométriques des aspérités (largeur, hauteur, espacement) sur les mousses monodisperses à fraction liquide contrôlée. Ensuite, nous élargirons notre compréhension aux mousses polydisperses et enfin, le dernier objectif sera consacré aux écoulements confinés qui sont pertinents dans de nombreuses applications. A l'issue de cette ANR, nous serons en mesure de fournir des conditions claires et robustes pour la conception des surfaces utilisées en rhéologie des mousses. Cette ANR JCJC renforcera la position du candidat en tant que chercheur indépendant en lui donnant l'occasion de lancer une nouvelle activité fondée sur son expérience de recherche. Elle permettra de recruter également un étudiant en Master 2 et un doctorant. Il appuiera également la production d'une vidéo sur la rhéologie de la mousse à l'intention du grand public, parmis d'autres activités de vulgarisation scientifique.

Notre projet s’intéresse à la création et à l’étude d’un nouveau type de liquide quantique sous forme de gouttelettes dans un ensemble atomique dilué de potassium 39. Leur existence est reliée à celle des fluctuations quantiques dans un mélange de deux condensats de Bose-Einstein pour lesquels l’énergie de champ moyen est compensée grâce aux interactions attractives entre les deux espèces. Ce système offre la possibilité extraordinaire d’étudier de façon quantitative les effets au-delà du champ moyen qui dominent alors la dynamique du système qui reste dilué. Nous nous intéresserons en particulier à la géométrie quasi-unidimensionnelle (1D) pour laquelle la physique des gouttelettes est la plus contre-intuitive. Nos observations les plus importantes seront la nature auto-piégée des gaz ainsi que leur profil de densité plat semblable à celui d’un liquide. Des études quantitatives des modes collectives de vibration seront ensuite menées. Nous irons aussi vers le régime d’interaction forte qui correspond à 1D à une diminution de la densité. De plus, nous comptons démontrer une nouvelle méthode de control des interactions dans les gaz ultra-froids d’atomes placés dans une superposition cohérente de deux états de spin couplés par un champ radio-fréquence. Cela permettra non seulement le control des interactions à deux corps mais aussi induira une interaction à trois corps, permettant d’envisager un mécanisme alternatif pour la stabilisation de gouttelettes dans un régime de gaz dilués.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau optique émergent qui possède une bande interdite indirecte mais qui présente une luminescence très intense dans l'UV profond. Au cours des dernières années, une description générale des mécanismes de recombinaison optique a été esquissée, mettant en particulier en évidence un couplage phonon-exciton très efficace. Néanmoins, aucun spectre d'absorption n'a été mesuré au-dessus de l'énergie de bande interdite, domaine spectral où les mesures de transmission sont extrêmement difficiles. De plus, les transitions optiques assistées par phonons ne peuvent être correctement décrites que par une description fine des relations de dispersion des excitons et des phonons, information accessible uniquement par des techniques non optiques. L'intérêt de h-BN pour les applications optiques va également au-delà de sa seule luminescence dans l'UV profond puisqu'ont été mises en évidence plusieurs sources de photons uniques très brillantes et stables, dans une large gamme spectrale. En raison du grand nombre de phénomènes interconnectés intervenant dans la réponse optique ultime de h-BN, ce n'est pas un seul type de spectroscopie, mais une combinaison originale de méthodes spectroscopiques qui sont nécessaires. Le projet BONASPES a pour objectif de réaliser une avancée significative dans la compréhension des propriétés optiques singulières de h-BN. Pour atteindre cet objectif, le consortium réunit quatre équipes aux compétences complémentaires avec des dispositifs expérimentaux à l'état de l'art: la microscopie électronique à balayage en transmission (groupe STEM-LPS à Orsay), la spectroscopie optique dans l'UV profond (groupe L2C à Montpellier), la diffusion inélastique résonante des rayons X (ligne Sextants du Synchrotron Soleil) et les techniques de spectroscopie théorique modernes (groupe Théorie de la matière condensée à Rome). Plusieurs aspects de la réponse optique de h-BN seront abordés: les spectres d'absorption de h-BN, du cristal massif jusqu'à la monocouche, et le rôle du couplage exciton-phonon; la dépendance en vecteur d'onde de l'exciton, des phonons et de leur couplage; le rôle des défauts d'empilement dans la réponse optique de h-BN; la corrélation entre les raies d'absorption et d'émission et les défauts ponctuels et dopants natifs bien caractérisés; l'identification de nouvelles sources possibles de photons uniques dans les domaines spectraux visible et UV. Au cours des quinze dernières années, h-BN s'est positionné comme un système modèle pour tester de nouvelles approches ab initio dans le cadre de la théorie des perturbations à plusieurs corps. Les mesures spectroscopiques qui seront obtenues par le projet BONASPES deviendront des jalons et fourniront des résultats pionniers pour les développements futurs de la théorie des perturbations à plusieurs corps. Outre l’intérêt intrinsèque pour l’optique de h-BN, le projet vise également à ouvrir la voie à de nouveaux concepts et à de nouveaux outils pour l’optique des matériaux. Un point important sera le développement d'instrumentations et de techniques innovantes: une expérience de micro-photoluminescence et de réflectométrie fonctionnant dans l'UV profond au L2C; un microscope STEM monochromatique et corrigé des aberrations, unique au monde, installé au LPS et capable de réaliser spectroscopie des pertes d'énergie des électrons et imagerie hyperspectrale en nano-cathodoluminescence, avec une haute résolution spatiale et en impulsion; un nouveau système de collection permettant d'effectuer simultanément la luminescence optique excitée par rayons X (XEOL) et la diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) à Soleil.

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. Dans cette proposition, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau. Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ? L'étude des billes de gaz permettrait de donner de nouvelles réponses à ces questions et de proposer une vision unifiée du sujet. Pour aborder ces questions, nous mènerons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée seront contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets. Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudierons l’influence de la pression capillaire sur l’élasticité de la membrane et du réseau granulaire en termes de fraction surfacique de particules, nombre de voisins et coefficient d’agrégation. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse sera abordée. Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque. Enfin, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz . La structure multi-échelle et ternaire du matériau pourrait révéler différents modes de propagation de couplés (propagation des ondes dans l'air et dans le squelette granulaire).

L’étude des régions de formation des étoiles et systèmes planétaires de notre galaxie fournit d’importants indices sur l’histoire chimique du système solaire et les origines de la vie sur Terre. Pour interpréter ces indices, il est essentiel de pouvoir identifier les molécules présentes dans ces environnements ce qui implique qu’elles aient été préalablement étudiées au laboratoire. Le porteur de ce projet a récemment contribué au développement d’une nouvelle technique expérimentale, la taxonomie spectrale, permettant d’identifier de nouvelles molécules dans des mélanges exotiques dans la gamme du centimétrique. Dans ce projet, cette technique sera étendue à la gamme spectrale du millimétrique, une région bénéficiant d’un regain d’intérêt grâce à de nouveaux observatoires astronomiques d’une résolution et sensibilité exceptionnelles tels que NOEMA et ALMA. Les données obtenues permettront aux astronomes de chercher de nouvelles espèces réactives dans le milieu interstellaire afin de mieux comprendre les processus physiques s’y déroulant.

L’origine de la supraconductivité à haute température dans les oxydes de cuivre reste un des problèmes majeurs de la physique de la matière condensée. Ces dernières années, les progrès dans le domaine ont permis d’établir que la phase pseudogap, considérée comme le nœud du problème, est le siège de plusieurs phases quantiques. Au sein de ces phases, certaines composantes du système électronique s’ordonnent, c'est-à-dire qu'elles rompent spontanément certaines symétries (de translation, de groupe ponctuel et de renversement par le temps). Le but de notre projet est de comprendre la relation entre ces "ordres électroniques" et le phénomène pseudogap. Cela inclut des questions fondamentales telles que la nature microscopique et l'origine des différents ordres électroniques, leur dépendance exacte en concentration de porteurs et les relations possibles entre eux mais aussi la question de savoir si un (ou plusieurs) de ces ordres est responsable du pseudogap ou la question de quelle symétrie(s) fondamentale(s) (s’il y en a une) est (sont) brisée(s) par l'état pseudogap de façon générale et universelle. Pour atteindre cet objectif, nous utiliserons des méthodes innovantes telles que la préparation d'échantillons par faisceaux d'ions focalisés, des champs magnétiques record ainsi que le contrôle par contrainte uniaxiale. Ces nouvelles méthodes complèteront notre stratégie générale qui consiste à supprimer la supraconductivité à l’aide de champs magnétiques intenses afin de révéler l'état «normal» sous-jacent aux plus basses températures, grâce à un arsenal de techniques complémentaires: transport, vitesse du son, RMN et spectroscopie Raman électronique. Notre projet vise à réunir des experts reconnus de ces techniques à Toulouse (LNCMI-CNRS), Grenoble (LNCMI-CNRS) et Paris (MPQ Paris-Diderot), afin d'effectuer des mesures coordonnées sur des monocristaux de la plus haute qualité dans divers familles de cuprates (Y, La, Bi ou Hg). Nous sommes convaincus que cet effort synergétique et novateur permettra de faire avancer le domaine de manière significative. Comprendre le mécanisme de la supraconductivité dans les oxydes de cuivre ne repousserait pas seulement les frontières des connaissances en physique de la matière condensée. Cela faciliterait également la découverte de nouveaux supraconducteurs avec des températures de transition plus élevées, ce qui élargirait inévitablement l’étendue des applications technologiques de la supraconductivité. En outre, les progrès réalisés en matière d'instrumentation de pointe et le savoir-faire acquis durant le projet profiteront à l'ensemble de la communauté des utilisateurs d’installations de champ intenses. La diffusion des connaissances est une partie essentielle de ce projet. Le projet fournira un environnement privilégié pour la formation de doctorants et de chercheurs postdoctoraux. Ils seront formés à des techniques expérimentales de pointe, ils seront impliqués dans tous les aspects de la recherche à un niveau compétitif sur le plan international, y compris l'utilisation d'installations de type « très grande infrastructure de recherche » (TGIR), et ils seront formés par des leaders dans leur domaine. Ces jeunes scientifiques seront également encouragés à participer activement à des conférences et des écoles d'été, qu’elles soient nationales ou internationales. Ils seront également associés aux activités de vulgarisation, organisées de façon régulière dans les différents laboratoires afin de susciter une nouvelle génération de vocations scientifiques. Le transfert des connaissances des institutions d'accueil vers ces jeunes chercheurs leur permettra de jouer un rôle décisif dans la communauté scientifique et dans les grandes installations.

Les systèmes d'intelligence artificielle (IA) se développent à un rythme effréné. Les progrès en la matière sont dus - aux algorithmes de réseaux neuronaux profonds fonctionnant sur des supercalculateurs classiques ; - et à la fabrication, via une électronique conventionnelle, de micro-puces dédiées implémentant physiquement les neurones et les synapses qui composent les réseaux d'IA. Cependant, le cerveau humain a environ 10^11 neurones reliés par 10^15 synapses dans volume d'un litre et nécessitant à peu près dix watts pour fonctionner. Ces degrés de connectivité et d'efficacité énergétique ne peuvent être atteints avec l'électronique conventionnelle à base de silicium. Une technologie de rupture est donc nécessaire, c'est à dire inventer et interconnecter des dispositifs électroniques «neuromorphes» énergétiquement efficaces. Ils permettront de fabriquer -directement au niveau matériel- des réseaux de neurones pour le calcul neuromorphique. Des synapses artificielles ont déjà été réalisées avec des memristors, exploitant le phénomène physique de la commutation résistive non volatile. En revanche, la mis au point de neurones artificiels reste un défi. Récemment, le coordinateur et ses collaborateurs ont montré que de tels neurones artificiels pouvaient être fabriqués avec des matériaux quantiques: des isolants de Mott [Brevet US 2017 / 0124449A1]. L'observation clef était qu'une séquence d'impulsions électriques peut réduire la résistance et générer un courant à travers le dispositif, analogue à l'émission d'un potentiel d'action dans les neurones biologiques. Cependant, le contrôle de ces matériaux par des impulsions électriques reste difficile et mal compris. Cela empêche de nouveaux progrès dans ce domaine. Ce projet a pour objectif la compréhension théorique de l’effondrement résistif des isolateurs de Mott, et de fournir des indications essentielles pour démontrer comment ces dispositifs peuvent être interconnectés dans des circuits de neurones artificiels avec des fonctionnalités neuromorphes. Ce projet sera tremplin pour la mise au point de la nouvelle électronique nécessaire à la construction de l'ordinateur neuromorphe du 21ème siècle.

L’auto-assemblage de nanoparticules est un processus fondamental dans la fabrication de matériaux fonctionnels aux applications variées, de la photonique aux afficheurs en passant par les capteurs. L'essentiel de la recherche a surtout porté jusqu'à présent sur les nanoparticules sphériques, alors que les mécanismes d’auto-assemblage ainsi que l'éventail des superstructures formées par des particules non sphériques ont fait l’objet de beaucoup moins de travaux. Pourtant, on peut s'attendre dans le cas des particules anisotropes présentant, de surcroît, des interactions directionnelles spécifiques, à une phénoménologie de symétries et de structures auto-assemblées encore plus riche et plus variée. Ce projet vise ainsi à concevoir de nouveaux colloïdes hybrides anisotropes à base de virus fd, en introduisent des "patchs" dont les interactions sont modulables, en termes d’intensité, portée et réversibilité. Pour ce faire, une nanoparticule métallique, dont la surface est décorée d'un polymère thermosensible d'épaisseur ajustable, sera greffée à l’une des extrémités du virus. La présence d’une nanobille en bout du virus contribuera à briser la symétrie avant-arrière de la particule et à créer une polarité à l’échelle microscopique, tandis que la présence du polymère permettra le contrôle réversible avec la température des interactions attractives entre objets. La présence de nanoparticules métalliques à l'une des extrémités des virus permettra également à ces systèmes hybrides d'être actifs, i.e. auto-propulsés en présence de carburant (micronageurs catalytiques) ou par effet thermophorétique, créant ainsi une nouvelle classe de particules actives en forme de bâtonnet et à interactions polaires. Dans ce projet, nous explorerons les propriétés d’auto-assemblage de ces systèmes hybrides passifs et actifs, en combinant des approches expérimentales et des outils de modélisation qui permettent d'étudier ces systèmes à la fois à l'échelle de la particule unique, ainsi qu’à l’échelle mésoscopique, en étudiant leur comportement de phases. Cela se fera à la fois à l'équilibre thermodynamique, et hors d’équilibre où des phénomènes émergents sont attendus pour les systèmes actifs. Une compréhension microscopique des phénomènes observés sera réalisée par des simulations numériques en mimant les systèmes expérimentaux par des interactions effectives de type "coarse-grained" entre particules. Pour l’ensemble de ces systèmes actifs et passifs envisagés, l'association de l’anisotropie de forme, de la polarité des particules, et des interactions régio-spécifiques devraient ainsi générer des superstructures et des auto-assemblages variés, avec un niveau de complexité et de fonctionnalités beaucoup plus élevé que ce qui pourrait être atteint avec des particules centro-symétriques. Le projet viro-LEGO, à fort caractère interdisciplinaire, repose sur l’association originale d'ingénierie biologique (fabrication de virus fonctionnalisés), de physique expérimentale de la matière molle (auto-organisation des systèmes) et de modélisation théorique avec la détermination des relations structures-propriétés. Les résultats de ce projet devraient ouvrir des perspectives dans le domaine de la conception et de la post-fonctionnalisation des particules anisotropes, afin d'obtenir un meilleur contrôle dans l'élaboration des matériaux auto-assemblés et la structuration des fluides complexes en présence de dopants actifs anisotropes. La connaissance détaillée des mécanismes d'auto-assemblage des briques élémentaires aux interactions modulables et régio-spécifiques (conférant par exemple une polarité locale) contribueront non seulement à la compréhension fondamentale des mécanismes de la matière active et d'auto-organisation en mésophases, mais ces systèmes à base de virus fonctionnalisés présentent également un fort intérêt en science des matériaux par la formulation d’une nouvelle classe de cristaux liquides hybrides fonctionnels aux propriétés modulables.

Ce projet est consacré à l’exploration de nouveaux oxydes à haute entropie (HEOx) présentant des propriétés électroniques et magnétiques exotiques. Ces oxydes constituent une nouvelle classe de matériaux récemment découverts, élargissant aux oxydes le concept des matériaux à haute entropie, bien connu pour les alliages métalliques. Ils comprennent au moins cinq cations différents et sont obtenus par chauffage à haute température suivi d'une trempe. Lorsque la température est suffisamment élevée, l'entropie de configuration devient la contribution dominante à l'énergie totale de Gibbs. Ainsi, au lieu de former des phases déterminées par l'enthalpie de formation, le système cristallise, à haute température, dans une solution solide métastable qui peut être “figée” par trempe à température ambiante, conduisant à des oxydes stabilisés par entropie. Dans le cas du premier HEOx obtenu, (MgCoNiCuZn)O, lorsqu'un mélange d'oxydes binaires est chauffé à haute températures (> 875 ° C) puis trempé on obtient une structure simple de type NaCl. Dans cette structure les cations sont répartis de manière aléatoire sur le sous-réseau cationique. Notons que certains des oxydes binaires constitutifs ne cristallisent pas dans une structure NaCl, ni même dans un système cubique, et ils ne forment pas de solutions solides. Comme la structure HEOx est déterminée par l'entropie de configuration, il devient ainsi possible d'incorporer dans la structure cristalline des cations généralement difficiles à doper, tels que l'ion Zn2+ dans un site octaédrique et pas dans la symétrie tétraédrique habituelle. En plus de cette structure NaCl, d’autres matériaux HEOx, tels que la pérovskite ou spinelle ont été récemment signalés, suggérant une très grande variété de matériaux à réaliser. HEOx est donc un système intéressant pour développer de nouveaux matériaux. Les matériaux résultants sont non seulement nouveaux mais ils présentent également des fonctions inattendues probablement liées aux distorsions locales du réseau avec un agencement non conventionnel des cations. Pour les HEOx de structure NaCl, nous avons découvert des propriétés inattendues telles que -constantes diélectriques géantes dans une large gamme de fréquences -mobilité élevée des ions alcalins -ordre antiferromagnétique à longue portée En appliquant le concept de stabilisation à haute entropie à des systèmes à électrons corrélés nous espérons obtenir des propriétés électroniques et magnétiques intéressantes. Les oxydes de métaux de transition présentent souvent des états fondamentaux électroniques en compétition, qui sont couplés à une distorsion du réseau. En réalisant des oxydes de type HEOx où la structure du réseau est fortement randomisée avec des cations multiples "stabilisés par entropie", le système peut ne pas être en mesure de trouver un état fondamental unique parmi les phases en compétition, et peut donc former une phase électronique ayant propriétés et fonctions surprenantes. Nous explorons donc ces nouveaux matériaux HEOX dans des oxydes complexes de métaux de transition tels que la pérovskite, le pyrochlore et les structures spinelles. Les propriétés attendues incluent un effet magnétoélectrique géant, des thermoélectriques hautes performances et des aimants exotiques tels que les liquides de spin quantiques. Nous aimerions souligner que les HEOx ne sont pas de simples solutions solides «classiques», mais représentent une nouvelle classe de matériaux produits par «stabilisation d'entropie». Leurs propriétés ne sont donc pas simplement un "cocktail" de matériaux de départ et de nouvelles propriétés devraient émerger. Grâce à la collaboration de deux équipes, les pionniers des matériaux à haute entropie (le partenaire français) et un groupe leader dans le domaine de la physique d'électrons corrélés (le partenaire allemand), nous espérons ouvrir un nouveau domaine pour l’exploration de nouveaux matériaux électroniques fonctionnels.

L'un des défis de la théorie de la dynamique réactionnelle en phase gaz est d’étendre son champ d'action à des systèmes moléculaires plus complexes (phase condensée). Dans ce projet, nous explorons une nouvelle approche de la dynamique réactionnelle basée sur les trajectoires quantiques. Contrairement à leur équivalent classique, les trajectoires quantiques sont capables de rendre compte exactement des effets quantiques dynamiques---en particulier de l’effet tunnel. Pour des systèmes à une dimension, la méthode des trajectoires quantiques a montré des performances numériques sans précédent, en particulier à température ultra-basse, où les effets quantiques sont dominants. Dans les grands systèmes, les effets quantiques dynamiques sont souvent limités à un seul degré de liberté (en général le chemin de réaction), tandis que le reste des degrés de liberté se comportent de façon classique. Exploitant ce fait, nous construisons une méthode de dynamique réactionnelle quantique-classique entièrement basée sur des trajectoires. Nous proposons ici d'explorer des réactions de systèmes complexes qui mettent en jeu des effets quantiques, en particulier à basse température où la résolution exacte de la dynamique réactionnelle est notoirement difficile à simuler.

Dans les glaces de spins, les moments magnétiques sont décrits comme les éléments d'un champ électromagnétique émergent, susceptible de «fragmenter» en deux parties distinctes, de divergence nulle et de rotationnel nul, via une décomposition de Helmholtz. Le fragment de rotationnel nul décrit un fluide de défauts topologiques, plongé dans le champ émergent. Ces excitations, les «monopoles magnétiques», ont suscité un grand intérêt cette dernière décennie. Les moments étant de longueur fixe, le second fragment de divergence nulle existe quasiment toujours. C'est le concept de fragmentation, développé récemment par l'IP et ses collaborateurs. Dans ce projet, nous explorerons les conséquences de la fragmentation, du point de vue expérimental et théorique, loin des paradigmes des matériaux magnétiques classiques. Les moments magnétiques dans les glaces de spin sont sur un réseau pyrochlore, et les monopoles occupent le réseau diamant dual. Le diagramme de phase complet du modèle en fonction de la température, du potentiel chimique des monopoles et du potentiel chimique alterné - qui rompt la symétrie de translation du réseau diamant - comporte cinq phases: la phase glace de spins, deux phases fragmentées reliées par symétrie de type «cristal de monopoles» et deux phases «cristal de doubles monopoles». Nos expériences récentes ont montré que les composés Ho2Ir2O7 et Nd2Zr2O7 sont tous deux dans la phase «cristal de monopoles». Le premier correspond au cas classique avec un potentiel chimique alterné fini, le second étant induit par des fluctuations quantiques. Nous étudierons les effets des fluctuations quantiques sur la stabilité de ce diagramme de phase. La partie de divergence nulle dans la phase «cristal de monopoles» se décrit comme un ensemble de dimères de coeur dur, visible par les mesures magnétiques. L’observation d’un tel liquide de dimères quantiques permettra de révéler de nouvelles transitions de phase magnétiques quantiques. Nous testerons la validité du diagramme de phases proposé dans des systèmes réels, en appliquant pressions physique et chimique. La pression change les interactions magnétiques effectives, modifiant le potentiel chimique et déplaçant le système dans l'espace des paramètres. En plus des cellules de pression fonctionnelles pour les mesures de chaleur spécifique, nous développerons une cellule à haute pression pour les expériences de diffusion neutronique, fonctionnant jusqu'à environ 100 mK. Nous mènerons ces expériences sur les iridates et zirconates, en cherchant lignes de transition et points critiques terminaux. La dynamique critique sera alors étudiée par des protocoles de type Kibble-Zurek et en suivant le ratio fluctuation-dissipation. En parallèle des mesures sous pression, nous réaliserons un dopage chimique en remplaçant les ions iridium par des ions non magnétiques afin de simuler un changement global du potentiel chimique alterné. Nous doperons également les zirconates pour tester la robustesse de la phase induite par les fluctuations quantiques. Cet aspect ouvre un défi théorique sur l’effet du désordre chimique sur le diagramme de phase. Nous modéliserons le désordre chimique par un désordre du potentiel chimique alterné. Ce projet numérique, mené en constant échange avec les expérimentateurs, posera les bases d’une nouvelle approche des systèmes désordonnés. Le consortium est idéalement qualifié pour mener à bien ce projet. Nous avons déjà apporté des contributions majeures dans ce domaine, tant du point théorique qu'expérimental. Nos expertises sont complémentaires: théorie classique et quantique, méthodes numériques pour les modèles quantiques et les systèmes désordonnés, expertise expérimentale en diffusion de neutrons, magnétométrie, chaleur spécifique et cryogénie. Pour mener à bien ce projet, nous demandons essentiellement le financement d’un étudiant en thèse pour les études numériques et d’un post-doc pour le développement de cellules de pression pour la neutronique.

Notre but est de caractériser par l’expérience et la théorie les continua d’absorption dans les mélanges gazeux H2O-CO2, CH4-CO2 et H2-CO2 pour des simulations du climat des atmosphères planétaires enrichies en CO2. Actuellement ces continua sont largement inconnus. Des mesures à l’état de l’art seront réalisées à différentes températures par technique FTS, CRDS et OF-CEAS dans les ailes des bandes du CO2 de l’infrarouge lointain à l’infrarouge courte longueur d’onde (SWIR). Les techniques CRDS et OF-CEAS ont prouvé leur capacité à mesurer des continua faibles de la vapeur d’eau dans les fenêtres de transparence avec des incertitudes très réduites grâce à leur grande sensibilité et à la grande stabilité de la ligne de base des spectres enregistrés. Dans le cadre de ce projet, nous développerons une cellule de haute finesse régulée en température qui sera installée dans les spectromètres CRDS disponibles permettant ainsi d’étudier les continua de H2-CO2 et H2O-CO2 dans l’infrarouge courte longueur d’onde (SWIR) entre 250 K et 350 K. Une nouvelle source laser, émettant vers 2853 cm-1, sera installée dans un instrument OF-CEAS permettant des études de H2O-CO2 autour de ce nombre d’onde entre la température ambiante et 325 K. En parallèle des spectres seront enregistrés dans l’infrarouge moyen et lointain en utilisant la cellule multi-passages de 150 m associée au spectromètre à transformée de Fourier de la ligne de lumière AILES du synchrotron SOLEIL. Cette cellule offre la possibilité d’être chauffée jusqu’à 330 K. Dans le projet, nous remplacerons les fenêtres actuelles de la cellule qui sont en film de polypropyl par des fenêtres en diamants afin d’améliorer significativement la stabilité de la ligne de base lorsque l’on travaille à des pressions proches de la pression atmosphérique. Ce montage permettra d’effectuer des enregistrements à la pointe de spectres de H2-CO2, CH4-CO2 et H2O-CO2 dans l’infrarouge lointain et moyen à température ambiante et à 330 K. A la fin de l’action de recherche expérimentale, des jeux de données de grande exactitude seront disponibles pour des tests de validation des modèles théoriques développés au LMD, les spectres calculés ayant l’avantage de couvrir une grande variété de gammes spectrales et de températures. Pour cela différentes approches théoriques, précédemment développées et testées pour des systèmes moléculaire proches de ceux étudiés ici (par exemple CH4-N2), seront utilisées. Les paramètres d’entrée de ces modèles seront ajustés pour obtenir le meilleur accord avec les mesures disponibles. Ensuite, les outils de prédiction seront construits et utilisés pour générer les coefficients d’absorption dans les différentes gammes spectrales et conditions de température adaptées aux applications planétaires ciblées. Les continua de H2O-CO2, CH4-CO2 et H2-CO2 seront implémentés dans un modèle climatique global 3D pour trois applications distinctes : premièrement pour modéliser le paléoclimat de Mars afin de comprendre les conditions dans lesquelles les réseaux de rivières et de lacs ont été façonnés, ensuite pour simuler les planètes avec des océans de magma ce qui est une étape cruciale pour comprendre pourquoi la Terre et Vénus ont évolué si différemment, enfin pour produire des observables synthétiques pour des exoplanètes d’une taille proche de celle de la Terre – à toutes les étapes de leur évolution – pour investiguer la possibilité de caractériser l’atmosphère de ces mondes avec les observatoires astronomiques de prochaine génération.

DALPS a l'ambition de créer un nouveau consortium regroupant des détecteurs Micromegas, des Transition Edge Sensors (TES), des Metallic Magnetic Calorimeters (MMC) et des Silicon Drift Detectors (SDD) qui amélioreront la sensibilité des détecteurs de rayons X dans le contexte de l’International AXion Observatory (IAXO) dont le but principal est de rechercher de nouvelles particules fondamentales hypothétiques appelées axions venant du Soleil. Les détecteurs développés dans DALPS seront installés dans BabyIAXO, une phase expérimentale intermédiaire de IAXO. Les axions sont l’une des solutions les plus prometteuses pour expliquer l’absence de violation de la symétrie charge-parité dans l’interaction forte. Des particules plus génériques de type axion (ALPS) sont invoquées dans un certain nombre de scénarios cosmologiques et astrophysiques. Ces particules neutres et très légères interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu'elles pourraient contribuer à la matière noire. Un certain nombre d'anomalies astrophysiques de longue date pourraient également être résolues par la présence d'axions. Les hélioscopes recherchent les axions produits au centre du soleil par la conversion de photons du plasma en axions, créant un flux d'axions solaires avec une distribution allant de 1 à 10 keV. En termes de rapport signal sur bruit de fond, IAXO atteindra une sensibilité supérieure de 4 à 5 ordres de grandeur comparée aux meilleures limites obtenues par l’expérience CAST, en utilisant un aimant optimisé équipé d'une optique couplée à des détecteurs X de faible bruit de fond. Le gain de sensibilité s’est traduit en un facteur ~ 20 en termes de couplage axion-photon. Pour atteindre cet objectif, les niveaux de bruit de fond requis sont extrêmement ambitieux: 10-7 coups keV-1 cm-2 s-1, un facteur 10 meilleur par rapport aux niveaux actuels. L'objectif de DALPS est de construire des détecteurs de rayons X à haute sensibilité et à faible bruit de fond, éléments clés de la sensibilité d'un hélioscope, pour le rapport de conception technique. Les détecteurs Micromegas constituent la technologie de référence des détecteurs à rayons X de BabyIAXO. Cependant, d'autres technologies telles que TES, MMC et SDD affichent un seuil d'énergie inférieur et une meilleure résolution en énergie. Pourtant, leur niveau de bruit de fond dans notre région d’intérêt n’a jamais été étudié. Les quatre technologies seront optimisées en termes d'efficacité, de niveau de fond, de résolution en énergie et de seuil. Le synchrotron SOLEIL sera disponible pour évaluer la performance à différentes énergies. Les avantages de proposer quatre technologies sont doubles: (i) un seuil d’énergie inférieur au keV permettra d’étudier les structures fines dans le spectre des axions et étendra le cas physique de babyIAXO, permettant ainsi des mesures de précision en cas de découverte et (ii) ) si des performances équivalentes étaient atteintes, la configuration idéale pour babyIAXO, et éventuellement IAXO, serait une combinaison des différentes technologies, car en cas de signal, cette configuration minimiserait les effets systématiques et renforcerait la revendication de découverte. En outre, une étude sur les moyens d'optimiser la sensibilité de l'IAXO au régime de masse élevée (ma ~ eV) sera réalisée en tenant compte de la complémentarité des recherches dans les hélioscopes et les détecteurs de cristaux. Les axions théoriquement motivés et les ALPS sont accessibles aux expériences actuelles et une grande partie de l'espace des paramètres explorés par IAXO, n'est accessible par aucune autre technique expérimentale. DALPS contribuera à la faisabilité de babyIAXO et de IAXO dans un contexte où 18 institutions mondiales, y compris le CERN et DESY, ont manifesté leur soutien. DALPS permettra d’établir une contribution française visible dans une expérience qui jouera un rôle de premier plan dans la frontière des basses énergies au cours des prochaines années.

L'exploration de Mars est entrée dans son âge d'or à la fin des années 90 avec les missions Mars Pathfinder et Mars Global Surveyor de la NASA, 12 ans après la dernière mission martienne réussie : la courte mission Phobos envoyée par les Soviétiques au milieu des années 80 et la mission Viking au seuil des 80. Depuis, NASA et ESA n'ont cessé d'envoyer des sondes à la surface et autour de Mars, faisant de Mars le corps extraterrestre le plus visité du système solaire. Depuis, Mars a progressivement arboré un nouveau visage grâce aux preuves recueillies d'une réelle activité comme la présence de changements rapides dans le paysage martien, l'apparition de tempêtes de poussière enveloppant toute la planète, ou encore la détection de gaz atmosphériques dont l'origine reste inconnue. Malgré cette exploration intense de Mars, son atmosphère est restée un domaine de recherche où restent beaucoup d'inconnues. Il est largement admis que l'atmosphère martienne ténue d'aujourd'hui n'est qu'un vestige d'une atmosphère auparavant plus dense et probablement plus chaude qui a pu permettre la formation de vastes étendues d'eau liquide pérenne. Cependant, recouvrer l'état de l'atmosphère martienne aux temps primitifs, c'est-à-dire il y a 3 à 4 milliards d'années, qui correspondent aux traces les plus anciennes d'eau liquide à la surface, nécessite une caractérisation et une compréhension complètes des processus qui contrôlent le climat actuel de Mars. Sans cette étape essentielle, toute extrapolation temporelle ne restera qu’un exercice académique laissant derrière lui plus de questions ouvertes que de mystères résolus. Le projet MCUBE est porté par la volonté de promouvoir l'un des partenariats les plus productifs de la communauté de l'exploration martienne et animé par deux laboratoires en France (LATMOS) et en Russie (IKI). Ces deux laboratoires sont engagés ensemble dans l'exploration spatiale par le biais d'ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) et Mars Express (MEX), les deux missions martiennes dirigées parl'ESA et Roscosmos qui orbitent et fonctionnent actuellement autour de Mars pour examiner la composition et les phénomènes présents dans l'atmosphère et en surface sur Mars. Les 2 laboratoires partagent la responsabilité scientifique d'un spectromètre infrarouge sur chaque mission : Le leader français de M3 est l'investigateur principal (PI) de SPICAM sur MEX, tandis que le leader russe est PI d'ACS sur TGO. Tous deux sont engagés dans un partenariat étroit pour déchiffrer les principales énigmes de l'atmosphère martienne et tenter de répondre aux questions suivantes : 1.Mars est-elle toujours "vivante" ? Y a-t-il des indices avérés d'émissions de gaz d'origine géophysique ou biogénique dans la composition de l'atmosphère, comme le méthane ? 2. Qu'est-ce qui régit le cycle actuel de l'eau sur Mars et celui de HDO, son isotope principal ? 3. Comment les aérosols interagissent-ils et contrôlent-ils le climat de Mars ? Répondre à ces questions fondamentales est le moteur même du partenariat mis en place au sein de notre consortium et ces réponses, MCUBE y a accès grâce aux instruments (MEX/SPICAM et TGO/ACS) développés et exploités respectivement par le leader français de MCUBE et de son partenaire russe. L'effort scientifique de MCUBE sera partagé par une équipe de chercheurs et d'ingénieurs très expérimentés ainsi que par du personnel non permanent qualifié. La nature même de la coopération existante entre les partenaires français et russes du MCUBE implique une répartition équilibrée et harmonieuse de la charge de travail et de la contribution scientifique et technique. La coopération historique entre le LATMOS et l’IKI donne la garantie que le projet MCUBE permettra de maximiser les bénéfices que la France peut retirer de sa contribution à l'exploration de Mars et à la rendre aussi visible et bénéfique pour la communauté scientifique que possible

Dans le monde, les insectes ravageurs sont responsables de pertes de récolte pouvant atteindre 80%, de sorte que la protection des cultures joue un rôle central pour la sécurité alimentaire. Des études récentes estiment que les ravageurs coûtent au minimum 70 milliards de dollars par an dans le monde, alors que des économies substantielles pourraient être réalisées. Il est donc essentiel de développer des modèles permettant de prédire avec précision la phénologie des insectes ravageurs afin de mettre en œuvre des pratiques et des interventions de lutte au bon moment. Malgré la sensibilité bien connue des insectes à la température, leur réponse au changement climatique en cours, ainsi que celle de leurs ennemis naturels, reste insuffisamment documentée. Construire des modèles qui prédisent avec précision la phénologie des insectes et qui sont transférables aux conditions du terrain est donc un défi majeur. Le projet a pour objectif de développer des modèles phénologiques basés sur la littérature disponible, d’améliorer leurs performances à partir du suivi des insectes sur le terrain et en tenant compte des paramètres des agroécosystèmes, et d’utiliser ces modèles pour étudier les réactions des insectes face au changement climatique. Les modèles phénologiques peuvent être construits à partir de modèles de taux de développement décrivant le temps nécessaire à une espèce pour passer d’un stade à un autre (par exemple, de l’œuf à la larve) en fonction de la température. Le modèle phénologique résulte de la combinaison de modèles de taux de développement pour chaque stade de la vie de l’insecte. Le taux de développement est généralement caractérisé dans des conditions de laboratoire dans des unités d'élevage. Il commence à un minimum thermique critique, puis croît lentement jusqu'à une température optimale pour le développement, puis décroît rapidement pour atteindre un maximum thermique critique. Il existe près de 40 modèles mathématiques du taux de développement dans la littérature et au moins 3000 articles sur la relation entre la température et le taux de développement. Le choix du modèle mathématique du taux de développement reste toutefois un problème aux conséquences importantes, car différents modèles aboutissent à des résultats différents. En outre, le fait de savoir si un modèle est plus approprié qu'un autre ou si différents modèles doivent être utilisés pour différentes espèces fait encore l'objet de débats. PI2P rassemblera dans une base de données les résultats publiés des articles disponibles dans la littérature et fournira des orientations pour le choix du modèle de taux de développement, ainsi que de nouvelles manières de caractériser le taux de développement avec des applications dans le contexte du changement climatique. PI2P utilisera une base de données pour évaluer les réactions des insectes au changement climatique en utilisant des modèles mathématiques adéquats et de nouveaux paramètres de performance. PI2P construira des modèles phénologiques tenant compte de paramètres agroécosystémiques en utilisant une approche individu-centrée pour prendre en compte la variabilité intraspécifique, et utilisera des capteurs de l'Internet des objets pour obtenir des variables environnementales proches de celles rencontrées par les insectes dans différents écosystèmes du monde (Afrique de l'Est, Andes, France). Les résultats attendus sont une meilleure compréhension de la relation entre la température et le taux de développement, une meilleure compréhension de la phénologie et de ses facteurs, et un ensemble de méthodes et d’outils allant des jeux de données brutes aux modèles de taux de développement, de nouvelles mesures de performance et des modèles de phénologie avec des applications pour l’agriculture et la protection des cultures.

Notre méconnaissance des déterminants de la reproduction et de la régénération des arbres forestiers contraint fortement les pratiques de gestion forestière dans de nombreux pays du monde. Le masting, caractérisé par des productions de graines extrêmement fluctuantes d’une année à l’autre et synchronisées au sein des populations, est fréquemment rencontré chez les espèces d’arbres forestiers et a un impact considérable sur la dynamique des consommateurs. Pour fournir des projections robustes sur le devenir des écosystèmes forestiers, il est indispensable de déterminer de quelle manière le changement climatique et les décisions sociétales affectent non seulement le masting, mais aussi la démographie des consommateurs de graines qui impactent la régénération forestière. FOREPRO vise à comprendre les mécanismes qui régissent le masting et à quantifier l'impact des stratégies de gestion forestière sur la production de graines et la régénération, dans le but de fournir des orientations pour la gestion durable des forêts. Un des défis concerne le développement d’outils au service des politiques futures de gestion forestière. Nous étudierons le masting et la régénération des forêts de chênes qui sont d'une importance écologique et économique majeure. L’étude portera sur trois espèces de chênes dans des milieux contrastés (chênes pédonculés et sessiles dans les régions tempérées et montagneuses et chênes verts dans la région méditerranéenne) et leur interaction avec des espèces de charançons spécialistes des glands qui ont un impact négatif majeur sur la germination des graines et la régénération. Le programme de recherche de FOREPRO est organisé selon trois axes : 1) Nous identifierons les déterminants physiologiques, climatiques du masting du chêne (i) en quantifiant l'acquisition des ressources par les arbres et leur allocation à la reproduction et à la croissance, (ii) en évaluant la limitation pollinique, (iii) en identifiant les vétos météorologiques qui pourraient expliquer l'échec massif des fructifications et (iv) en évaluant les déterminismes environnementaux et génétiques de la production de graines. De plus, nous analyserons l'impact des pratiques de gestion forestière (densité de plantation, fertilisation du sol) sur la production de graines. (2) Après avoir évalué l’impact de l’intensité des fructifications sur le succès de régénération, nous analyserons comment les différentes composantes du masting permettent de contrôler efficacement la dynamique des communautés d'insectes parasites des glands. (3) Les données acquises dans les deux premiers axes nous permettront de paramétrer de nouveaux modèles mécanistes afin de mieux prédire le masting et le potentiel de régénération des forêts de chênes dans le contexte du changement climatique et de fournir des pistes d'innovation en matière de gestion forestière. Pour relever ce défi, FOREPRO développera une approche intégrative basée sur des investigations complémentaires : i) des approches expérimentales en forêt; (ii) la collecte et l'analyse de données diverses sur un large réseau de sites, le long de gradients climatiques; (iii) des dosages biochimiques (teneur en azote et en carbone des fleurs et des fruits) et enfin (iv) la construction de quatre modèles interconnectés (deux modèles écophysiologiques, CASTANEA et PHENOFIT, un Resource Budget Model simulant le masting et un modèle de dynamique de communautés pour les insectes). FOREPRO est un projet à l'interface de la recherche et de l'action publique et devrait apporter des progrès significatifs dans la compréhension et la gestion de la régénération des chênaies. Il a été construit et sera développé grâce à la forte complémentarité des partenaires issus des domaines de la recherche et de la gestion (quatre laboratoires de recherche : LBBE -Lyon-, BioGeCo -Bordeaux-, CEFE -Montpellier-, ESE -Orsay-, et une agence de gestion : ONF).

Le changement climatique constitue le principal défi auquel nous sommes confrontés pour la production alimentaire. L'augmentation des températures et de la variabilité des précipitations affectent directement l'environnement abiotique des cultures, leur distribution géographique et leurs interactions biotiques entraînant une plus grande vulnérabilité. Repenser de nouvelles stratégies qui atténueront ces impacts est une priorité pour l’agriculture. Contrairement aux formes cultivées et entretenues par l'homme, les plantes sauvages apparentées aux cultures sont confrontées à des défis continus dans leur environnement naturel et présentent une diversité génétique supérieure à celle des formes cultivées. Elles constituent ainsi un réservoir inexploité d'allèles, qui pourrait être utilisé pour augmenter la capacité adaptative des espèces cultivées face aux changements globaux. L’exploitation génétique des apparentés sauvages en amélioration des cultures constitue une stratégie alternative clé à l’utilisation massive d’intrants, pour promouvoir la durabilité des agroécosystèmes. Elle est cependant conditionnée par les compatibilités de croisements entre les formes sauvages et domestiques et la fertilité des descendances qui en résultent. Le projet DOMISOL vise à caractériser l'étendue et la nature moléculaire des barrières reproductives entre ces formes, et à étudier les processus évolutifs sous-jacents. En raison de leur divergence récente, les systèmes sauvages/domestiques permettent d’étudier les barrières reproductives à un stade très précoce de leur mise en place. Nous proposons ici de mettre l'accent sur 14 systèmes sauvages/domestiques représentant un continuum de divergence afin d'entreprendre une approche comparative. Nous poursuivons deux objectifs majeurs. Le premier est de tirer parti de cette grande diversité de systèmes pour effectuer une évaluation quantitative des barrières reproductives chez les hybrides F1 issus de croisements sauvages x domestiques ; et d'étudier les liens entre ces barrières, l’histoire évolutive de ces formes, leur divergence phénotypique et génomique, afin d’inférer les paramètres évolutifs qui déterminent l’intensité de leur isolement reproducteur. Le second est de nous concentrer sur trois des 14 systèmes afin d’affiner notre compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents à l'isolement reproducteur. Ceci inclut une description des changements transcriptionnels chez les hybrides F1 ainsi qu’une détection des distorsions de ségrégation dans les descendances F1 et F2 qui pourront être utilisées ensuite pour cartographier des locus impliqués dans la dépression des formes hybrides. DOMISOL rassemble les expertises complémentaires de quatre partenaires en production et utilisation de ressources génétiques, agronomie, génomique évolutive, génétique végétale, modélisation. Ce projet ambitieux est une opportunité exceptionnelle de produire du matériel génétique unique sur plusieurs systèmes et des jeux de données qui serviront de bases pour des collaborations entre les acteurs de la communauté de génétique et génomique végétale en France. Les résultats apporteront une meilleure compréhension des processus à l'œuvre dans les toutes premières étapes de l’isolement reproducteur, et de leurs conséquences en termes de valeur sélective ; mais contribueront également à caractériser l'étendue et la nature génétique des obstacles à la reproduction entre formes sauvages et cultivées. Ceci est une étape indispensable pour les surmonter et exploiter pleinement le réservoir d'allèles adaptatifs pour améliorer la durabilité des cultures au sein des agro-écosystèmes. Les données produites serviront de base à des enseignements pratiques sur l’utilisation des données de séquençage haut-débit en amélioration des plantes, et permettront aussi de sensibiliser le grand public à l’importance de la préservation des populations sauvages.

Un défi permanent pour les scientifiques est de comprendre comment plusieurs facteurs de stress peuvent interagir et influer sur les relations biologiques et par la suite sur le fonctionnement des écosystèmes. Il est largement reconnu que les bassins hydrographiques influent de manière importante sur la qualité des écosystèmes aquatiques. Les apports de matière organique dissoute terrestre (MODt) dans les écosystèmes aquatiques ont augmenté ces dernières décennies en raison de divers facteurs, tels que l’intensification des usages agricoles des terres, les changements dans le climat et l’hydrologie. L’augmentation attendue du ruissellement de MODt et les changements globaux (e.g., augmentation de la température) ont potentiellement des effets importants dans les flux d’énergie et l’efficacité du réseau trophique dans les écosystèmes aquatiques. De plus, la MOD dans les écosystèmes aquatiques pourrait constituer un mécanisme important de rétroaction dans le système climatique, car des changements mineurs dans le stock de MOD ont un impact considérable sur le CO2 atmosphérique et le bilan radiatif sur la Terre. Une modification des écosystèmes aquatiques vers un état plus hétérotrophe est attendue par l’utilisation microbienne de la MODt et un effet de « brunissement » des eaux (masquage de la lumière). Cependant, les effets interactifs avec la température, la possibilité d’un effet d’amorçage dans la dégradation de la MODt, la résilience du système après la perturbation liée à l’apport de MODt et les conséquences pour les services écosystémiques, sont largement inconnus. Le projet RESTORE réunit des spécialistes en écologie générale, océanographie et limnologie, microbiologie, biogéochimistes, modélisation et gestion d’infrastructures expérimentales. Pour la première fois, la réaction des écosystèmes d’eau douce et d’eau marine aux perturbations séparées ou combinées (apports de MODt et température) sera comparée à l’aide d’une combinaison unique d’approches expérimentales. Des expériences en mésocosmes (3-12 semaines) seront effectuées en utilisant les installations des plateformes CEREEP-Ecotron IDF et MEDIMEER, pour étudier les réponses des écosystèmes d’eau douce et d’eau marine, respectivement. En outre, des expériences en microcosmes (cultures en batch et chémostats) seront réalisées avec de l’eau eau douce et marine afin d’étudier plus précisément le rôle de l’effet d’amorçage en utilisant de la lignine marquée par un isotope stable (13C). Les réponses microbiennes seront mesurées en terme de fonctionnalités, de composition et de transferts trophiques en utilisant un ensemble de paramètres faisant appel à différentes technologies de pointe (e.g., metabarcoding, métagénomique, traçage isotopique, spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique [FT-ICR-MS]). Des modèles mathématiques seront élaborés et utilisés pour implémenter des expériences virtuelles afin de tester des hypothèses qui ont jusqu'à présent jamais été étudiées expérimentalement et qui dépassent les possibilités expérimentales du projet (pour des raisons techniques et financières). Les résultats obtenus nous permettront de (1) décrire les modifications dans la structure et les fonctionnalités des communautés microbiennes aquatiques après l’apport de MODt combinée à une élévation de température ; (2) déchiffrer l’effet de l’amorçage sur le devenir de la MODt dans différents contextes environnementaux avec l’identification des acteurs microbiens et des enzymes de dégradation ; et (3) identifier les modifications dans les réseaux de co-occurrence microbiens et modéliser les réponses mesurées dans les écosystèmes d’eau douce et marine. Nos résultats pourront servir de base à l’élaboration des politiques liées à la gestion des milieux d’eau douce et marine dans l’Union européenne pour préserver les ressources aquatiques affectées par le changement global.

L’objectif global du projet EXOMAN est d’améliorer la symbiose entre humains et exosquelettes. Pour ce faire, nous envisageons de produire de nouvelles connaissances fondamentales sur l’Interaction Homme-Exosquelette (IHE) en se concentrant sur la dimension humaine. L’utilisation des exosquelettes est prometteuse dans les champs de l’ergonomie et de la santé, que ce soit pour prévenir les troubles musculo-squelettiques ou compenser des déficits moteurs. Indépendamment du but final (ex. : augmentation des capacités physiques de l’opérateur ou assistance physique pour un patient), les exosquelettes actifs peuvent fournir un moyen d’assister les mouvements d’un patient ou d’un travailleur avec tous les avantages offerts par la robotique : répétabilité, précision et adaptabilité. Après une croissance exponentielle des recherches dédiées aux exosquelettes robotisés durant la dernière décennie, plusieurs modèles ont été développés. En particulier, les exosquelettes du membre supérieur ont généré un intérêt considérable, avec beaucoup d’applications liées aux mouvements de préhension et à la manipulation d’objets dans des contextes à la fois cliniques et industriels. A ce jour cependant, le transfert de ce type de technologie de la recherche vers les applications pratiques (c’est-à-dire, en dehors du laboratoire) reste limité. En outre, les bénéfices de ces appareils par rapport à des techniques existantes (ex. : ergonomie proactive ou thérapies manuelles) manquent de fondement scientifique. Certains aspects du design des exosquelettes limitent visiblement leur utilité et applicabilité dans les situations de la vie réelle. Au-delà des défis technologiques inhérents à ce type d’appareil (actionneurs, poids élevé, source d’énergie…), un problème plus fondamental est lié à notre manque de compréhension du contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette. Notre hypothèse de recherche est que des avancées significatives autour des exosquelettes robotisés iront de paire avec une meilleure compréhension de la contribution humaine dans l’IHE. Quantifier et déchiffrer comment l’humain adapte ses mouvements lorsqu’il porte un exosquelette actif de membre supérieur (et pourquoi il s’adapte ainsi) constituera donc le fil rouge de ce projet. Le projet EXOMAN sera organisé autour de 4 axes de travail. Les tests expérimentaux seront conduits sur l’exosquelette ABLE, un exosquelette motorisé hautement réversible. Premièrement, une plateforme technologique permettant la mesure d’un ensemble exhaustif de paramètres du mouvement humain (cinématiques, dynamiques et énergétiques) durant l’IHE sera créée (work package 1). Ceci permettra de conduire des analyses poussées du comportement moteur humain en interaction avec ABLE (work package 2). Puisque des formes de mouvement différentes devraient être observées en fonction des lois de contrôle appliquées par le robot et du couplage physique entre l’utilisateur et l’exosquelette, deux axes de recherche complémentaires sont proposés. D’un côté, des lois de contrôle anthropomorphes de haut niveau seront développées (work package 3). D’un autre côté, l’interfaçage physique entre la personne et l’exosquelette sera optimisé (work package 4). Une tâche appliquée standardisée sera d’aider ou d’assister l’opérateur à bouger son bras ainsi qu’une masse, d’un point à un autre, de manière écologique, confortable et à moindre effort. En résumé, ce projet interdisciplinaire impliquant des chercheurs du contrôle moteur humain et des roboticiens abordera à la fois des questions fondamentales et technologiques pour améliorer notre compréhension de l’IHE et améliorer l’utilité des exosquelettes dans les applications du monde réel.

Ce projet étudiera comment les systèmes de visualisation de données situées peuvent aider les gens à utiliser leurs données personnelles (par exemple, les données sur la condition physique et la physiologie, la consommation d'énergie, les transactions bancaires, les activités sociales en ligne,...) pour leur propre bénéfice. Bien que les données personnelles soient générées dans de nombreux domaines de la vie quotidienne, elles restent sous-utilisées par les individus. Rarement les données personnelles font l'objet d'une analyse approfondie et sont utilisées pour éclairer les décisions quotidiennes. Cette recherche vise à donner aux individus les moyens d'améliorer leur vie en les aidant à devenir des consommateurs avancés de leurs propres données. Cette recherche s'appuie sur le domaine de l'analyse visuelle personnelle, qui vise à donner au grand public des outils efficaces et accessibles pour obtenir un aperçu de leurs propres données. L'analyse visuelle personnelle est un domaine de recherche naissant, mais s'est jusqu'à présent concentré sur des scénarios où la visualisation des données est très éloignée de la source des données auxquelles elle fait référence. L'objectif de ce projet est d'aller au-delà des limites des plateformes traditionnelles d'analyse de données personnelles en explorant le potentiel des visualisations de données situées. Dans une visualisation de données située, les données sont directement visualisées près de l'espace physique, de l'objet ou de la personne auquel elles se rapportent. Les visualisations de données situées présentent de nombreux avantages potentiels : elles peuvent faire surface dans l'environnement physique et permettre aux spectateurs d'interpréter les données en contexte ; elles peuvent être adaptées pour mettre en évidence les liens spatiaux entre les données et l'environnement physique, ce qui facilite la prise de décisions et l'action sur le monde physique en réponse aux connaissances acquises ; et elles peuvent intégrer les données dans les environnements physiques afin de les rendre visibles au fil du temps, de faciliter leur surveillance et leur observation et de collaborer avec autrui. Bien que le sujet de la visualisation située gagne actuellement du terrain dans la recherche, il existe actuellement très peu d'applications réelles et peu de données empiriques sur la façon de concevoir de tels systèmes. Nous comblerons cette lacune en construisant des prototypes fonctionnels dont l'utilité sera évaluée à l'aide de méthodes empiriques rigoureuses et en élaborant des théories et des lignes directrices générales de conception qui vont au-delà des domaines considérés. L'ensemble du programme de recherche sera décomposé en quatre problématiques de recherche menées par cinq chercheurs issus de trois laboratoires de recherche (Inria Saclay, Inria Bordeaux, Sorbonne Université) aux domaines d'expertise complémentaires. Le consortium sera complété par des étudiants en thèse, un chercheur postdoctoral et des stagiaires à court terme qui travailleront sur quatre problèmes de recherche spécifiques et développeront le matériel et les logiciels nécessaires à la réussite du projet. Nous nous attendons à ce que ce projet génère des avantages à de multiples niveaux, notamment pour la société (en autonomisant les individus grâce à la technologie), pour la communauté scientifique (en élargissant et en unifiant deux domaines de recherche naissants), pour les partenaires universitaires (en renforçant les liens existants en matière de recherche et en les faisant devenir des leaders dans ce domaine) et pour les étudiants (en leur offrant des possibilités de formation uniques avec une équipe diverse de chercheurs de classe mondiale).

Si de nombreuses études traitent des effets des perturbateurs endocriniens (PE) sur l’axe reproducteur, peu ont été consacrées à leurs effets sur le cerveau, notamment au cours du développement. Pourtant, des données expérimentales et épidémiologiques récentes suggèrent l'existence de liens entre des expositions aux PE, en particulier durant les phases critiques du développement du cerveau, et des altérations de fonctions cérébrales qui pourraient expliquer les troubles neurodéveloppementaux et cognitifs. Le manque de connaissance relative aux mécanismes et aux effets des PE sur le développement du cerveau et sur le comportement empêche d'en évaluer correctement les dangers et les risques. Des études antérieures menées par des membres de FEATS ont permis de mettre en évidence qu’un effet marquant des PE chez les poissons était leurs capacités à perturber l’expression précoce du gène cyp19a1b qui code pour l’aromatase cérébrale (aroB), l’enzyme responsable de la biosynthèse des neuroestrogènes. L'expression est ER-dépendante et est spécifique des cellules gliales radiaires (CGR). A l’aide d’embryons de poissons zèbres transgéniques cyp19a1b-GFP, nous avons développé un test de criblage original, sensible, spécifique et non invasif appelé EASZY. Ce bioessai permet une quantification fiable des activités oestrogéniques des substances, seules ou en mélange, dans le cerveau des poissons au cours du développement. Nos travaux ont révélé à l’aide de EASZY, qui fait partie intégrante de la stratégie de l'OCDE pour les PE (Document Guide 150), que de nombreux contaminants environnementaux (œstrogènes de synthèse, plastifiants, certains pesticides, produits de soins corporels, substances pharmaceutiques) sont capables d’altérer l’expression CGR-spécifique de aroB. Les CGR sont des cellules progénitrices de nouveaux neurones dont l’activité neurogénique peut être modulée par des stéroïdes. Si certaines études mettent en avant un lien entre perturbation de l’aroB, l’activité de neurogenèse et le comportement par des stéroïdes, très peu d’informations sont disponibles quant à l'effets des PE sur ces fonctions. A ce jour, les conséquences (éco)toxicologiques à court et long terme des perturbations de l’expression de aroB induites par les PE au stade embryonnaire restent à explorer. Ce point est primordial dans la perspective d’utiliser les données de EASZY dans une démarche d’évaluation des risques des substances qui agissent sur le cerveau. A ce titre, il existe un besoin urgent de développer des stratégies efficaces pour un dépistage plus efficace des substances neurotoxiques pour le développement du cerveau. Dans ce contexte, FEATS est un projet interdisciplinaire qui vise à étudier le rôle de aroB et les conséquences toxicologiques à court et à long-terme induites par les PE ciblant aroB au cours du développement précoce. Notre stratégie reposera sur la conduite d’expérimentations sur des modèles animaux originaux (modèles transgéniques cyp19a1b-GFP, cyp19a1b-GFP-Casper et knock-out cyp19a1b) exposés à un panel de substances choisi à priori pour leurs effets connus sur l’expression de l’aroB visant à explorer les conséquences de ces expositions à court et à long-terme sur la synthèse de neurostéroïdes, la neurogenèse, la neurotransmission et le comportement. Nous utiliserons des approches complémentaires combinant des analyses chimiques sensibles, de l’imagerie en fluorescence 2D/3D, des analyses transcriptomiques et des tests comportementaux chez les embryons ainsi que chez les juvéniles et les adultes. L’objectif est de fournir un ensemble cohérent de données permettant l’établissement de relations fonctionnelles et quantitatives entre perturbations de aroB et effets néfastes à travers des modèles mathématiques (PBPK, AOP) ce qui constitue un enjeu tant sur le plan fondamental que sur le plan réglementaire pour permettre une meilleure évaluation du risque des PE agissant sur le cerveau.

La France, comme bien d’autres pays, possède de nombreux sites industriels contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). La phytoremédiation est parmi les stratégies de remédiation les plus prometteuses. L'augmentation de la biodégradation des HAP dans la rhizosphère des plantes a été très largement étudiée. En revanche, l’absorption puis la dégradation des HAP dans les plantes a été très peu explorée. Bien que les HAP parents soient détectés à faible concentration, divers procédés de transformation et de conjugaison générant des métabolites et des dérivés de HAP ont été proposés mais jamais explorés dans un système végétal complexe. Ainsi, des efforts de recherche sont nécessaires pour mieux comprendre la dynamique et le devenir des HAP dans les systèmes sol-plante. Les outils de métabolomique pourraient aider à identifier les dérivés de HAP dans les tissus végétaux. Les plantes sont naturellement colonisées par une grande variété de microorganismes. Bien que le rôle du microbiote rhizosphérique dans la dissipation de HAP ait été largement étudié, nos connaissances concernant le microbiote de l’endosphère racinaire restent limitées. Les endophytes bactériens et fongiques sont bien connus pour leurs propriétés de promotion de croissance des plantes (PGP), et certains d'entre eux sont capables de dégrader les HAP, mais les voies de dégradation microbiennes des HAP et les interactions physiologiques avec les plantes n'ont jamais été explorées. Bien que les interactions biotiques positives entre bactéries et champignons soient bien connues, les études se concentrent rarement sur les deux partenaires en même temps. Par conséquent, la réponse commune de la plante et de ses endophytes à la pollution par les HAP doit être étudiée, en tirant parti du développement d’outils OMIC fournissant des informations sur la réponse cellulaire aux niveaux génomique, transcriptomique, protéomique et métabolomique. Dans ce contexte, le projet EndOMiX aura pour but de caractériser les interactions entre les endophytes racinaires bactériens et fongiques et les plantes dans le contexte de sols contaminés par des HAP afin de mieux comprendre les processus moléculaires mis en place et à terme d’accroitre l’efficacité des procédés de phytoremédiation. Le 1er objectif est d’évaluer l’impact d’un gradient de contamination en HAP sur la réponse de la plante et de son microbiote, en utilisant une combinaison d’outils enzymatiques et moléculaires. Les données aideront à comprendre comment le taux de pollution structure la diversité des communautés microbiennes et module l'activité métabolique de la plante et des endophytes. Le devenir des HAP dans les plantes étant encore mal compris, notre 2ème objectif est d'identifier, de suivre et de localiser le HAP et ses produits dérivés dans le sol rhizosphérique, les tissus végétaux et la biomasse microbienne associée en utilisant un HAP marqué au 13C et en combinant une approche métabolomique et de DNA-SIP (« stable isotope probing ») pour identifier les micro-organismes bénéficiant de cette source de carbone. Les résultats permettront de proposer des scénarii concernant le devenir des HAP dans les systèmes sol-plante. Le 3ème objectif est d’isoler, avec une pression de sélection en HAP, des endophytes bactériens et fongiques et de déterminer leurs caractéristiques fonctionnelles (c.-à-d. PGP et la dégradation des HAP). Cette large banque de souches bactériennes et fongiques pourra être utilisée en phytoremédiation. Le dernier objectif est de comprendre le rôle des 3 partenaires (bactérie, champignon et plante) et les mécanismes fonctionnels mis en jeu en réalisant une expérimentation dans des conditions simplifiées et contrôlées, en vu de révéler qui fait quoi, comment et où, en suivant un HAP marqué au 13C. Nous pourrons alors pleinement comprendre le fonctionnement métabolique de notre système et reconstituer les principales étapes de transformation des HAP dans les plantes.