Dans cette thèse, j'ai étudié théoriquement l'interaction d'atomes et de molécules avec des impulsions laser brèves, intenses et basse-fréquences. En insistant sur la phase spectrale, nous utilisons la génération d'harmoniques d'ordres élevés comme processus auto-sonde pour étudier les dynamiques attoseconde. Nous résolvons l'équation de Schrödinger avec des modèles simples, numériquement ou en utilisant une théorie semi-analytique, nous permettant ainsi d'obtenir des informations approfondies sur les processus physiques mis en jeu, à travers des explications intuitives, tout en gardant une propension prédictive. Avec des outils développés pour analyser nos résultats numériques, nous étudions d'abord la dynamique d'ionisation dans une molécule modèle telle que N2. Puis, en réexaminant les interférences à deux centres, nous mettons au jour un comportement très intéressant, lié à l'habillage de l'état fondamental par le laser, et confirmé par des développements analytiques. Nous prédisons la possibilité d'observer ce phénomène expérimentalement par l'intermédiaire des interférences de chemins quantiques. Enfin, nous étudions les effets de la vibration des noyaux dans les molécules diatomiques en couplant le mouvement des électrons avec celui des noyaux. Nous montrons que pour de telles impulsions laser, l'excitation vibrationnelle de la molécule neutre peut être induite par effet Raman. Nous invalidons alors une théorie non corrélée, nommée Lochfraß, qui base son interprétation sur la dépendance du rendement d'ionisation avec la distance internucléaire. Enfin, nous proposons de prolonger à un modèle analytique standard la notion de potentiel d'ionisation dans les molécules. / In this thesis, I studied theoretically atoms and molecules interacting with a short, low-frequency and intense laser pulse, in the typical regime of high-order harmonic generation (HHG). We use HHG as a self-probe process to examine electronic and nuclear dynamics on the attosecond scale with Ångström resolution, insisting on the spectral phase. By using simple models, we are able to solve extensively the time-dependent Schrödinger equation, either numerically or with the Strong Field Approximation (SFA). Our models give us valuable physical insights on the underlying dynamical processes and intuitive explanations while keeping a predictive propensity. With efficient tools developed to analyze our numerical results, we first investigate the ionization dynamics through a shape resonance in a model molecule such as N2. Secondly, we take another look at two-center interferences, and uncover a very interesting behavior which is linked to the dressing of the electronic ground-state by the laser field. It is indeed confirmed by additional developments of molecular SFA. We predict that this behavior can be observed experimentally using quantum path interferences. Finally, we examine the effect of nuclear vibration in diatomic molecules by coupling consistently electronic and nuclear motions. Our results show that with short pulses, nuclear motion in the neutral molecule can be triggered by Raman effect. Thus, we invalidate an uncorrelated theory, so called Lochfraß, which focuses on the dependence of the ionization yield with internuclear distance as an explanation. Lastly, we question the extension within SFA of the notion of ionization potential in molecules.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d'une nouvelle expérience d'atomes froids de strontium 84, depuis ses balbutiements jusqu'à l'obtention des pièges magnéto-optiques sur la raie large à 461 nm, puis sur la raie étroite à 689 nm.Les études menées avec cette expérience porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques placés initialement en situation hors-équilibre. Pour réaliser de telles expériences, un microscope à atomes sera mis en place prochainement et permettra de mesurer des fonctions de corrélations spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège optique bidimensionnel. C'est pourquoi, en parallèle du montage, des travaux ont été réalisés pour mettre au point un algorithme de reconstruction, indispensable au traitement des futures images obtenues par ce microscope. Ce manuscrit de thèse a pour objectif de détailler et justifier aussi précisément que possible les choix expérimentaux qui ont été effectués et de présenter le stade actuel d'avancement de l'algorithme de reconstruction d'images. Il reste encore quelques étapes de construction avant que le dispositif expérimental soit achevé: ajouter une chambre dans laquelle les mesures auront lieu, mettre en place le système d'imagerie et monter le système optique qui permettra de transporter les atomes entre les chambres à vide, les confiner dans un plan, d'effectuer la transition vers un condensat de Bose-Einstein et enfin les soumettre à un réseau optique bidimensionnel. / This manuscript presents the first steps of a new ultracold atoms experiment using strontium 84. The aim of this experiment is to study the relaxation dynamics of quantum gases initially prepared in an out-of-equilibrium state. This experiment will include a quantum gas microscope, allowing us to measure spatial correlation functions in two-dimensionnal systems. The current state of the construction allows us to generate both magneto-optical trap of strontium: along its wide transition at 461 nm and its narrow transition at 689 nm. Concurrently with the experimental setup, we carried out works on a reconstruction algorithm required for the future data processing of the microscope images. This manuscript details experimental aspects, justifying their choices, and presents the current state of work on the reconstruction algorithm. There are still steps to complete the experimental setup: add a chamber where we will make the measurements to the vaccuum system, set up the quantum gaz microscope and all the required optics to transport the atomic clouds between two vaccuum chambers, to reach Bose-Einstein condensation and to confine the atoms in two-dimensionnal optical traps.

L’objet de ce travail est d’étudier l’influence de l’anisotropie structurale, induite lors de la mise en forme d’un Polylactide (PLA), sur les dynamiques moléculaires de la phase amorphe. Deux procédés de mise en oeuvre sont retenus : l’électrofilage et la cristallisation induite par flux. Le premier permet d’aboutir à un système non-cristallin, lorsque le deuxième permet d’aboutir à un système semi-cristallin. Pour chaque système, une étude microstructurale est préalablement réalisée pour mettre en avant l’anisotropie structurale induite lors de la mise en oeuvre. Pour ce faire différentes techniques d’analyses sont utilisées : microscopie optique, microscopie électronique, diffraction des rayons X, calorimétrie à balayage différentielle (DSC) et calorimétrie à balayage rapide (FSC). L’utilisation de la FSC s’avère précieuse. Du fait des vitesses extrêmement rapide (1000 K.s-1) et de la diminution importante de la masse (dizaine de nanogrammes), la transition vitreuse et la cinétique de vieillissement physique sont au préalable étudiées dans le cas d’un PLA amorphe. Il est montré que les vitesses de refroidissement atteignable en FSC permettent d’accélérer les cinétiques de vieillissement physique. Les dynamiques moléculaires sont ensuite étudiées à travers le concept de coopérativité et le phénomène de vieillissement physique. Il est montré que l’orientation préférentielle induite dans le système non-cristallin aboutit à la formation de mésophase qui augmente la coopérativité, autrement dit les interactions intermoléculaires. Dans le cas du système semi-cristallin, les dynamiques moléculaires sont influencées par le couplage amorphe/cristal et le confinement des cristaux, et non pas par l’anisotropie structurale induite avant cristallisation. / The aim of this work is to investigate the molecular dynamics of Polylactide (PLA) subjected to structural anisotropy during its processing. To do so, two experimental set-ups were used: electrospinning and flow induced crystallization. The first one leads to non-crystalline system, while the second one leads to semi-crystalline system. For each system, the microstructure is investigated to highlight the structural anisotropy induced during the processing. Different experimental techniques are used: optical microscopy, electronic microscopy, X-ray diffraction, differential scanning calorimetry (DSC) and fast scanning calorimetry (FSC). FSC proves to be useful. Due to the high scanning rates (1000 K.s-1) and the decrease of the sample mass (few tens of nanogrammes), glass transition and physical aging kinetics are beforehand investigated in the case of a wholly amorphous PLA. It is shown that high cooling rates available by FSC allow to accelerate physical aging kinetics. Molecular dynamics are then investigated through concept of cooperativity and phenomenon of physical aging. It is shown that preferential orientation induced during electrospinning leads to the formation of mesophase, which increase cooperativity, namely the intermolecular interactions. With regard to semi-crystalline system, molecular dynamics are only affected by the coupling between amorphous/crystal and the confinement effect of the crystals, rather than the structural anisotropy induced before the crystallization step.

De nos jours, il n'existe encore aucune théorie capable de proposer une description précise et quantitative du transfert de proton en solution. En effet, ce problème est complexe du fait de la grande diversité des interactions existant dans l'eau liquide, à savoir: des interactions non liantes de type Van der Waals, des liaisons faiblement covalentes et des liaisons hydrogènes remarquablement fortes. Ces dernières sont d'ailleurs à l'origine des nombreuses propriétés fascinantes de l'eau à l'échelle macroscopique. À cela s'ajoutent les effets quantiques nucléaires dus à la faible masse de l'hydrogène, qui modifient profondément la nature de la surface d'énergie potentielle décrivant le transfert de proton le long de sa coordonnée de réaction. Nous proposons dans cette thèse une approche tout quantique basée sur une description quasi exacte de la fonction d'onde du système par l'utilisation de méthodes stochastiques de type Monte Carlo Quantique. Cette technique, combinée avec le formalisme des équations de Langevin et des intégrales de chemin de Feynman, permet de simuler à un niveau de précision inédit, n'importe quel système chimique en phase gaz ou en solution. Nous appliquons cette méthodologie à des agrégats d'eau neutres ou protonés pour apporter de nouveaux éclaircissements sur les phénomènes microscopiques régissant la diffusion du proton hydraté dans de tels systèmes. Il est mis en évidence que la mobilité du proton est optimale pour des températures proches des conditions ambiantes, du fait de la compétition subtile entre les effets thermiques et quantiques nucléaires. / There is no theory up to now able to provide an accurate and quantitative description of the proton transfer (PT) yet. Indeed, the complexity of the problem stems from the large diversity of the existing interactions in liquid water, namely: non bonding Van der Waals interactions, weakly covalent bonds and remarkably strong H-bonds. The latter ones are at the origin of the numerous fascinating properties of water at the macroscopic scale. In addition to such interactions, the nuclear quantum effects arising from the hydrogen light mass deeply modify the potential energy surface, and must be taken into account. In this thesis, we propose a fully quantum approach based on an almost exact description of the electronic wave function by means of Quantum Monte Carlo (QMC) methods. Our novel technique combines QMC with a Langevin-based Molecular Dynamics and the Feynman's path integral formalism. This allows one to perform fully quantum simulations of systems in gas or condensed phase, at an unprecedented level of accuracy,. We apply our approach to neutral or charged protonated water clusters to shed light on the microscopic phenomena driving the proton diffusion in such systems. We discovered that the proton hopping is optimal for temperatures close to ambient conditions, due to the subtle competition between thermal and nuclear quantum effects. This is highly suggestive of the importance of quantum nuclear effects to make PT processes - relevant for life - most efficient at room temperature.

L'étude de la région des noyaux lourds et superlourds représente un des défis de la physique nucléaire contemporaine, tant au niveau des dispositifs expérimentaux nécessaires que des analyses de données complexes. L'étude des noyaux transfermia (Z = 100 à 106) nous permet, au travers de la spectroscopie de décroissance α et γ/électron, d'apporter de nouvelles informations de structure nucléaire ainsi que sur ses propriétés dans cette région de masse. Dans le cadre de ma thèse, j'ai ainsi pu étudier le noyau 257Db. Cette étude a été menée sur le séparateur SHELS auprès du dispositif GABRIELA au JINR de Dubna (Russie). Elle nous a permis d'apporter de nouvelles informations spectroscopiques sur ce noyau au travers d'une étude de spectroscopie retardée en profitant de la réaction de fusion évaporation 50Ti(209Bi,2n)257Db ainsi que les très bonnes performances du dispositif GABRIELA. Ces études ont notamment permis d'établir un nouveau schéma de niveaux pour le noyau 257Db, mais aussi de confirmer le schéma de décroissance pour les noyaux 257Db et 253Lr. De plus, j'ai aussi pris part au développement et à la caractérisation de détecteurs silicium de dernière génération dans le cadre du projet S3/SIRIUS (SPIRAL2, GANIL). Ces études nous ont non seulement permis de caractériser ces détecteurs, et ainsi vérifier leurs performances vis-à-vis du cahier des charges, mais aussi de mettre en évidence des phénomènes internes à basse énergie dans ces derniers. Les caractérisations ainsi que l'analyse et l'interprétation de ces phénomènes sont présentés et discutés. / The study of the heavy and superheavy nuclei mass region represents one of the biggest challenge for the modern nuclear physic regarding both experimental setups and complex analysis. Moreover, the study around the transfermia nuclei (Z = 100 to 106), through the spectroscopy experiments, allows us to bring new information on the nuclear matter and its properties. Therefore, my thesis experiment was focused on the study of the 257Db nuclei. The experiment was performed on the SHELS separator using the GABRIELA setup at the JINR of Dubna (Russia). This study allows us to highlight new information regarding this nucleus, through the delayed spectroscopy method and by using the 50TI(209Bi,2n)257Db fusion evaporation reaction as well as the very good performances of the GABRIELA setup (α, γ and electron detection). This study allows us also to establish a new level scheme as well as to confirm the decay one for the 257Db and 253Lr nuclei. The second part of my thesis work was centered on the development and the characterization of Silicon detectors for the S3/SIRIUS projet (SPRIAL2, GANIL). The characterization allows us to confirm the good performances of these detectors according to the specifications. Moreover, it also highlights internal phenomena at low energy within the detector. Thus, the characterization as well as the interpretation of these phenomena will be presented.

Nous proposons une nouvelle approche pour déterminer le coefficient de diffusion dans des membranes lipidiques se basant sur la formation d'excimères. Alors que les autres modèles statistiques considèrent le système comme un ensemble de points sur un réseau, nous utilisons un modèle à gros grain afin d'étudier des bicouches lipidiques simulées à l'aide du champs de force Martini. Nous déterminons le taux de réaction dépendant du temps à partir des probabilités de survie obtenues a posteriori à l'aide des trajectoires numeriques des bicouches symétriques de DOPC (1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) et POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) simulées à 283 K et 293 K respectivement. Les dynamiques de collision sont obtenues en distinguant virtuellement les molécules simulées. Les sondes fluorescentes sont supposées semblables aux lipides, et par conséquent, ne modifient pas la dynamique. Nous obtenons une expression générale pour la probabilité de survie en combinant approximation des paires indépendantes et propriétés d'échelle, mais aucune hypothèse n'est faite pour le taux de formation d'excimère. En superposant les intensités d'émission de fluorescence normalisées, déterminées numériquement, aux courbes de titrations expérimentales, nous obtenons deux ensembles de résultats pour le coefficient de diffusion latéral, selon que l'association entre feuillets est autorisée ou pas. Nous utilisons un rayon de capture de 0.5 nm, la distance à partir de laquelle les deux sondes réagissent pour former un excimère. En comparant la dynamique Martini aux expériences de fluorescence, il est possible d'estimer le facteur d'accélération. / We propose a novel approach to extract the lateral diffusion coefficient in lipid bilayers using excimer formation. In contrast to previous statistical models that modeled the system as points undergoing jumps from site to site on a lattice, we use coarse-grained molecular dynamics to study lipid bilayers simulated using the Martini force field. We derive time dependent reaction rates from survival probabilities obtained a posteriori from numerically generated trajectories of symmetric DOPC (1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) and POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) bilayers at 283K and 293K respectively. Collision dynamics are determined by virtually relabeling the simulated molecules. The fluorescent probes are assumed to behave like ordinary membrane lipids and therefore the dynamics remain unaffected. We derive a generalized expression for the survival probability combining independent pairs and size scaling assumptions, but no assumption is made regarding the kinetic rate of the excimer formation process. By fitting the numerically determined normalized fluorescence emission intensities to experimental titration curves, we obtain two sets of results for the lateral diffusion coefficients depending whether interleaflet excimer association is allowed or not. We use a capture radius of 0.5 nm, the distance at which the probes react to form excimers. By relating Martini dynamics to real fluorescence experiments, we estimate the numerical Martini acceleration factor. We also study mixtures of oxidized-non oxidized DOPC and POPC bilayers using a hydroperoxidized model of these lipids for different concentrations of the oxidized component (3.1%, 25% and 50%). Using pair correlation functions, we extract structural information on the systems and determine whether the two components are prone to mixing or not. Finally, we calculate the thermodynamic mixing parameters within the framework of the virial expansion.

Des mesures d’ondes de spin propagatives ont été réalisées pour caractériser deux effets de l’interaction spin-orbite ainsi que le transport électrique dépendant du spin. Les effets du couplage spin-orbite ont été étudiés dans des bicouches nickel-fer/platine. Dans ces films, les fréquences de deux ondes de spin contre-propageantes ne sont pas les mêmes, ce qui est attribué à l’effet combiné d’une interaction magnétique chirale appelée interaction Dzyaloshinskii-Moriya et d’une asymétrie dans l’épaisseur du film magnétique. En appliquant le courant électrique dans ce système nous avons observé une modification du taux de relaxation de l’onde de spin qui est attribuée au transfert de spin induit par effet Hall de spin. D’autre part, les études de propagation d’ondes de spin dans une couche mince de fer épitaxié à température ambiante ont montré une polarisation en spin du courant électrique de 83%, ce qui est attribué à une forte asymétrie du couplage électron-phonon. / Propagating spin wave measurements were realised to characterize two spin-orbit related phenomena, as well as spin dependent electrical transport. The effects of spin-orbit coupling have been studied in nickel-iron/platinum bilayers. It has been shown that in these films the frequencies of two counter-propagating spin waves are not the same, which is attributed to the combined effects of a chiral magnetic interaction named Dzyaloshinskii-Moriya interaction and an asymmetry of the magnetic properties across the film thickness. By applying an electrical current in such system we have observed a modification of the spin wave relaxation rate due to the spin transfer torque induced by spin Hall effect. On the other hand, from the study of spin wave propagation in thin epitaxial iron films at room temperature, a degree of spin polarization of the electrical current of 83% was extracted, which is attributed to a significant spin-asymmetry of the electron-phonon coupling.

Cette thèse est consacrée à l'étude ab initio des structures électroniques des molécules diatomiques polaires YN, YS, ZrN, et ZrS. Cette étude est motivé par le manque d’informations dans la littérature sur la structure électronique de ces molécules, alors qu’elles ont clairement été identifiées dans le spectre de certaines étoiles. Des calculs théoriques sont ainsi nécessaire puisqu’ils peuvent fournir d'importantes informations quant aux propriétés des états électroniques fondamentaux et excités qui ne sont pas accessibles expérimentalement. Dans ce travail les calculs ab initio ont été effectués par la méthode du champ auto-cohérent de l'espace actif complet (CASSCF), suivie par l'interaction de configuration multiréférence (MRSDCI). La correction de Davidson, notée (MRSDCI+ Q), a ensuite été appliquée pour rendre compte de clusters ou agrégats quadruples non liés. Les calculs ont été effectués selon deux schémas. Dans le premier les effets spin-orbite ont été négligés alors que dans le second les effets spin orbite ont été inclus par la méthode des potentiels de noyau efficaces. Tous les calculs ont été effectués en utilisant le programme de calcul de chimie physique MOLPRO et en tirant parti de l’interface graphique Gabedit. Les courbes d'énergie potentielle ont été construites et des constantes spectroscopiques calculées, ainsi que les moments dipolaires électriques permanent, les champs électriques moléculaires intenses et les structures énergétiques de vibration-rotation. Nous avons détecté dans la molécule ZrS plusieurs niveaux vibrationnels dégénérés ceux-ci peuvent être utilisés pour rechercher les variantes possibles de la constante de structure fine α etdu rapport de masse μ de l’electron par rapport au proton dans trois étoiles de type S, du nomde Rand, les RCas, et χCyg. La comparaison des données expérimentales et théoriques pour la plupart des constantes calculées a montré une bonne précision pour nos prédictions avec une différence relative (en pourcentage) qui varie entre 0,1% et 10%. Ces résultats devraient ainsi mener à des études expérimentales plus poussées pour ces molécules. / This dissertation is dedicated to the ab initio study of the electronic structures of the polardiatomic molecules YN, YS, ZrN, and ZrS. The identification of these molecules in the spectraof stars as well as the lack in literature on the electronic structures of these molecules motivatedthe present study. Theoretical calculations are useful in this respect since they can provideimportant data for the properties of the ground and excited electronic states that are not availablefrom experimental means. In the present work the ab initio calculations were performed at thecomplete active space self-consistent field method (CASSCF) followed by multireference singleand double configuration interaction method (MRSDCI). The Davidson correction noted as(MRSDCI+Q) was then invoked in order to account for unlinked quadruple clusters. Thecalculations were performed on two stages in the first spin orbit effects were neglected while inthe second type of calculations spin orbit effects were included by the method of effective corepotentials. All of the calculations were done by using the computational physical chemistryprogram MOLPRO and by taking advantage of the graphical user interface Gabedit. In thepresent work potential energy curves were constructed and spectroscopic constants computed,along with permanent electric dipole moments, internal molecular electric fields, and vibrationalrotationalenergy structures. We detected in the ZrS molecule several degenerate vibrationalenergy levels which can be used to search for possible variations of the fine structure constant αand the electron to proton mass ratio μ in three S-type stars, named Rand, RCas, and χCyg. Acomparison with experimental and theoretical data for most of the calculated constantsdemonstrated a good accuracy for our predictions giving a percentage relative difference thatranged between 0.1% and 10%. Finally, we expect that the results of the present work shouldinvoke further experimental investigations for these molecules.

Ce manuscrit s'inscrit dans le contexte du contrôle de la propagation des plasmons de surface. A cet effet, des nanostructures diélectriques et métalliques ont été conçues et caractérisées par microscopie à champ de fuite dans les espaces réels et réciproques. La manipulation des plasmons de surface à l'aide de lentilles diélectriques et d' éléments à gradient d'indice est présentée, et la réfraction négative, la direction et l'auto-collimation des plasmons de surface dans des cristaux plasmoniques à une ou deux dimensions sont démontrées. Ces résultats ont été utilisés pour le guidage de nanoparticules à l'aide de forces optiques, ainsi que pour deux méthodes permettant de renforcer le facteur de mérite de sondes plasmoniques de variation d'indice de réfraction, basées l' une sur les résonances de Fano naturelles de la microscopie à champ de fuite, et pour la seconde sur les structures des bandes plasmoniques anisotropes. / In this thesis devices for controlling the flow of surface plasmon polaritons are described. Dielectric and metallic nanostructures were designed for this purpose, and characterized by leakage radiation microscopy in real and in reciprocal spaces. Manipulation of surface plasmons by dielectric lenses and gradient index elements is presented, and negative refraction, steering and self-collimation of surface plasmons in one- and two-dimensional plasmonic crystals is demonstrated. The achieved degree of control was applied for routing of nanoparticles by optical forces, as well as for two methods of enhancing the figures of merit of plasmonic refractive index sensors, based on the one hand on Fano resonances natural to leakage radiation microscopy, and on the other hand on anisotropie plasmonic bandstructures.