L’étude comparée des réactions de formation de paires d’ions et de simple photoionisation de la molécule NO2 induites par rayonnement synchrotron (RS) d’une part et par impulsions laser femtosecondes (fs) d’autre part, démontre le rôle remarquable de l’excitation résonante d’états de Rydberg dans la dynamique électronique et nucléaire induite. Trois réactions principales, la photoionisation non dissociative (NO2+ (X 1Σ+g) + e), la photoionisation dissociative (NO+ (X 1Σ+) + O(3P) + e) et la formation de paires d'ions, (NO+ (X 1Σ+) + O- (2P)), ont été caractérisées en utilisant la méthode des corrélations vectorielles ou spectroscopie en coïncidence des impulsions du photoélectron et des photoions, auprès des sources RS (SOLEIL, DESIRS) et lasers fs (CEA, Saclay), respectivement. Le diagramme de corrélation des énergies cinétiques électron-ion, première observable issue de ces mesures, met en évidence un partage de l’énergie en excès entre noyaux et électrons qui dépend fortement du mode d’excitation photonique. Les déviations significatives observées par rapport aux profils d’ionisation de type Franck Condon sont attribuées à des couplages vibroniques entre états excités NO2*, tels que ceux induits par une intersection conique. Les chemins réactionnels identifiés confirment le rôle de l’excitation des séries de Rydberg [R*(6a1)-1] et [R*(4b2)-1] intervenant comme états intermédiaires dans l’excitation multiphotonique ou dans le continuum d’ionisation exploré. Une étude complémentaire par spectroscopie à haute résolution des états [R*(6a1)-1] a été mise en œuvre (UBC, Vancouver).Pour une réaction de photoionisation dissociative (PID), l’observable la plus complète est la distribution angulaire des photoélectrons dans le référentiel lié à la vitesse de recul de l’ion fragment (RFPAD) déduite de la mesure de la corrélation vectorielle (Vi, Ve, P). Afin d’accéder aux éléments de matrice dipolaire décrivant la photoionisation de l’état électronique considéré, le formalisme développé en collaboration avec R. R. Lucchese (Texas A&M) décrivant la photoémission dans le référentiel moléculaire pour la simple PID d'une molécule linéaire par excitation à un photon, a été étendu à l'étude des réactions de PID par excitation multiphotonique d'une molécule polyatomique, telle que la molécule NO2 de symétrie C2v. L’analyse multivariée de la RFPAD multiphotonique proposée constitue une stratégie fructueuse en vue d’extraire l’information optimale sur la dynamique complexe de photoionisation et de réaliser une comparaison détaillée entre les résultats expérimentaux et les calculs de photoionisation des états excités de la molécule. / The comparative study of ion pair formation and simple photoionization of the NO2 molecule induced by synchrotron radiation (SR) on the one hand and by femtosecond (fs) pulses on the other hand reveals the remarkable role of Rydberg states in the induced electronic and nuclear dynamics. Three main reactions, namely (NO2+ (X 1Σ+g) + e) non dissociative photoionization, (NO+ (X 1Σ+) + O(3P) + e) dissociative photoionization and (NO+ (X 1Σ+) + O- (2P)) ion pair formation have been characterized using the vector correlation method, or photoion and photoelectron coincidence momentum spectroscopy, at SR sources (SOLEIL DESIRS) and at fs laser platforms (CEA, Saclay), respectively. The electron-ion kinetic energy correlation diagram, which is the first observable obtained from these measurements, highlights the excess energy sharing among nuclei and electrons, which strongly depends on the photon excitation mode. The observed remarkable deviations from Franck Condon ionization profiles are attributed to vibronic couplings such as those induced at a conical intersection. The identified reaction pathways confirm the role of the [R*(6a1)-1] and [R*(4b2)-1] Rydberg series excitation as stepping states in multiphoton excitation or in the explored ionization continua. A complementary study of high resolution spectroscopy of [R*(6a1)-1] Rydberg series has been performed (UBC, Vancouver). For a dissociative photoionization (DPI) process, the most complete observable is the photoelectron angular distribution in the reference frame attached to the recoil ion fragment velocity (RFPAD) deduced from the measured (Vi, Ve, P) vector correlation. In order to get access to the dipole matrix elements describing photoionization of the considered excited electronic state, the formalism developed in collaboration with R. R. Lucchese (Texas A&M) describing molecular frame photoemission for a DPI of a linear molecule by one-photon excitation has been extended to the study of DPI processes induced by multiphoton excitation for a polyatomic molecule, such as the NO2 molecule of C2v symmetry. The proposed multivariate analysis of the multiphoton RFPAD constitutes a successful strategy to extract the optimal information on the complex photoionization dynamics and to perform a detailed comparison between experimental results and calculations of photoionization of the molecular excited states.

L'étude comparée des réactions de formation de paires d'ions et de simple photoionisation de la molécule NO2 induites par rayonnement synchrotron (RS) d'une part et par impulsions laser femtosecondes (fs) d'autre part, démontre le rôle remarquable de l'excitation résonante d'états de Rydberg dans la dynamique électronique et nucléaire induite. Trois réactions principales, la photoionisation non dissociative (NO2+ (X 1Σ+g) + e), la photoionisation dissociative (NO+ (X 1Σ+) + O(3P) + e) et la formation de paires d'ions, (NO+ (X 1Σ+) + O- (2P)), ont été caractérisées en utilisant la méthode des corrélations vectorielles ou spectroscopie en coïncidence des impulsions du photoélectron et des photoions, auprès des sources RS (SOLEIL, DESIRS) et lasers fs (CEA, Saclay), respectivement. Le diagramme de corrélation des énergies cinétiques électron-ion, première observable issue de ces mesures, met en évidence un partage de l'énergie en excès entre noyaux et électrons qui dépend fortement du mode d'excitation photonique. Les déviations significatives observées par rapport aux profils d'ionisation de type Franck Condon sont attribuées à des couplages vibroniques entre états excités NO2*, tels que ceux induits par une intersection conique. Les chemins réactionnels identifiés confirment le rôle de l'excitation des séries de Rydberg [R*(6a1)-1] et [R*(4b2)-1] intervenant comme états intermédiaires dans l'excitation multiphotonique ou dans le continuum d'ionisation exploré. Une étude complémentaire par spectroscopie à haute résolution des états [R*(6a1)-1] a été mise en œuvre (UBC, Vancouver).Pour une réaction de photoionisation dissociative (PID), l'observable la plus complète est la distribution angulaire des photoélectrons dans le référentiel lié à la vitesse de recul de l'ion fragment (RFPAD) déduite de la mesure de la corrélation vectorielle (Vi, Ve, P). Afin d'accéder aux éléments de matrice dipolaire décrivant la photoionisation de l'état électronique considéré, le formalisme développé en collaboration avec R. R. Lucchese (Texas A&M) décrivant la photoémission dans le référentiel moléculaire pour la simple PID d'une molécule linéaire par excitation à un photon, a été étendu à l'étude des réactions de PID par excitation multiphotonique d'une molécule polyatomique, telle que la molécule NO2 de symétrie C2v. L'analyse multivariée de la RFPAD multiphotonique proposée constitue une stratégie fructueuse en vue d'extraire l'information optimale sur la dynamique complexe de photoionisation et de réaliser une comparaison détaillée entre les résultats expérimentaux et les calculs de photoionisation des états excités de la molécule.

Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée. / Electron and Ion beams are at the base of many instrumental techniques used to explore, to analyse and to modify materials from the micrometer to the manometer scale (Electronic Microscopy, Electron Spectrometry, Focused Ion beams techniques…). Spatial and Energetic resolutions of these techniques are strongly dependent on its source‘s properties and particularly their working temperature. In fact, for more than ten years, the potential of ionised cold atoms have been intensively studied. Our experiment at LAC, described in this thesis, uses a 2 dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) to create a caesium atomic beam. The transverse temperature of the beam is around 100 µK. Despite this, the beam is still too divergent after exiting the cooling area. To guide the atomic beam up to the ionisation area, we have studied and implemented a particular method of dipolar guiding. The use of a unique laser properly set allowed us to push and guide altogether the atoms of the beam while limiting the heating effect. Thus, we have managed to compress the atomic beam’s size to 400 µm at 60 cm from the output of the MOT.Afterward, the atomic beam is ionised by the method of Rydberg (static) field ionisation. The atoms are firstly excited by laser on a Rydberg state (n~30) as a static homogeneous and uniform electric field is applied. The excited atoms of beam travel therefore to a high-gradient field area where they ionise around the same electric potential value, therefore reducing the ionisation area’s size and the initial potential energy spread of the electron beam. The ionisation probability of the atoms in the field depends greatly on the excited Rydberg state. The choice of an optimal Rydberg state , i.e. with the highest probability of ionisation, needs better knowledge of the ionisation of cesium Rydberg states. A two levels model us to describe the ionisation behaviour of some Ryberg. This simple models helps to understand what kind of states we want to excite in order to optimise the ionisation area‘s size. An experimental study of cesium Rydberg states is also presented.

Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pas<br />couplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitement<br />quantique de l'information.

Dans les collisions ion-solide, les états de l'ion projectile de grand moment angulaire l sont en moyenne beaucoup plus peuplés que lors des collisions ion-atome. L'utilisation d'ions projectiles Ar18+ d'énergie 13,6 MeV/u et de cibles solides de carbone nous a permis d'étudier les états excités de l'ion Ar17+ peuplés par capture. La gamme d'épaisseur de cibles choisie a permis d'effectuer cette étude de la condition de collision unique (3,5 µg/cm²) jusqu'à l'équilibre des populations (200 µg/cm²). Nous avons observé l'évolution des intensités des transitions Lyman en fonction du temps de transit de l'ion dans la cible (évolution sensible à la population des états de coeur) ainsi qu'en fonction du temps de vol de l'ion derrière la cible (évolution sensible à la population des états de Rydberg). Pour expliquer les résultats expérimentaux, une analyse complète du transport des états excités dans la cible a été réalisée. Nous avons utilisé deux modèles de type collisionnel. Le premier est un modèle d'équations d'évolution basé sur une description statistique des collisions binaires du projectile avec les atomes cibles. Le second est un modèle de transport classique basé sur l'équation décrivant le mouvement de l'électron projectile sur une orbite classique perturbé par une force stochastique. Une comparaison avec l'expérience montre que ces approches collisionnelles permettent de refléter assez bien la population en moment angulaire des états très excités mais nettement moins bien celle des états de coeur. Le mélange l observé pour ces états est beaucoup plus important que prévu par ces modèles. La polarisation du milieu induite par l'ion projectile (non prise en compte par les modèles) pourrait être responsable d'un tel mélange par l'intermédiaire de l'effet Stark.