Light can exert optical forces on matter. In the macroscopic world these forces are minuscule, but on the microscopic or atomic scale, these forces are large enough to trap and manipulate particles. They may even be used to cool atoms to a fraction of a degree above absolute zero. This thesis details a number of experiments concerned with the optical manipulation of atoms and micron-size particles using free space light beams and photonic crystal fibres. Two atom guiding experiments are described. In the first experiment, a spatial light modulator is used to generate higher blue-detuned azimuthal Laguerre-Gaussian LG) beams, which are annular beams with a hollow core. These LG beams are then used to guide laser cooled rubidium-85 atoms within the dark core over a distance of 30 mm. The second atom guiding experiment involves attempting to guide laser cooled and thermal rubidium atoms through a hollow-core photonic crystal fibre using red-detuned light. Hollow-core photonic crystal fibres are fibres that are able to guide light with low attenuation within a hollow core. For this experiment a hot wire detection system was designed, along with a number of complex vacuum systems. The first dual-beam fibre trap for micron-size particles constructed using endlessly single-mode photonic crystal fibre (ESM-PCF) is described. The characteristics of dual-beam fibre traps are governed by the fibres used. As ESM-PCF has considerably different properties in comparison to conventional single- or multimode fibres, this dual beam ESM-PCF trap exhibits some novel characteristics. I show that the dual beam ESM-PCF trap can form trapping, repulsive and line potentials; an interference-free ‘white light’ trap; and a dual-wavelength optical conveyor belt.

La scintillation organique correspond au phénomène d’émission de lumière par un matériau moléculaire à la suite de l’excitation de celui-ci par un rayonnement externe d’énergie donnée. Lors de l’interaction, le dépôt d’énergie induit des transitions électroniques peuplant des états dont la plupart se désexcite de manière non radiative, à l’exception d’une, entre le premier état électronique singulet et l’état fondamental de la molécule. Lors de cette relaxation, un photon de fluorescence est émis. Cette émission a deux origines : i) l’excitation directe par le rayonnement primaire et les électrons secondaires ; elle donne lieu à une émission dite rapide ou prompte ; ii) l’ionisation par le rayonnement primaire et les électrons secondaires ; elle donne lieu à une émission dite lente ou différée. Ce travail de recherche fondamentale, à la fois théorique et expérimental, fait l’analyse de toutes les étapes du processus, de l’interaction primaire à l’émission de fluorescence, de manière à relier la dose déposée à la quantité de lumière émise, à des fins d’applications en dosimétrie médicale. Il repose sur la mesure des déclins de fluorescence de deux molécules modèles, l’anthracène et le paraterphényle, excitées par un flux continu de rayons X, et la séparation des contributions rapide et lente de la lumière émise, aux énergies médicales. Une modélisation analytique des processus physiques conduisant à l’émission de lumière, au regard de la dose déposée, a ensuite été effectuée, faisant apparaître de nombreux résultats originaux. Dans un premier temps, un dispositif expérimental original a été développé, basé sur la technique TCSPC (Time-Correlated Single Photon Counting), afin de pouvoir mesurer des déclins temporels de fluorescence en résolution nanoseconde et sous flux d’irradiation continu. Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle approche mathématique permettant d’extraire finement les composantes rapides et lentes du signal. L’analyse des résultats a montré, pour la première fois, l’existence d’un rapport R constant et uniquement fonction du matériau, entre les rendements d’excitation et d’ionisation. Le caractère constant de ce rapport ne peut être attribué qu’à un mécanisme d’autoionisation moléculaire au sein d’un matériau se comportant intrinsèquement comme une chambre d’ionisation proportionnelle pour l’ionisation secondaire de basse énergie. Ceci est en accord total avec la linéarité observée entre l’intensité totale de lumière différée (ionisation) et la dose mesurée par une chambre d’ionisation proportionnelle. Une étude plus approfondie des mécanismes d’excitation, au regard du rapport R, a également permis de montrer, pour la première fois, une proportionnalité directe entre l’intensité totale de la lumière prompte et le dépôt d’une dose que nous avons baptisé dose d’excitation. Cette dose a été observée comme étant de 4 à 14 fois supérieure à celle mesurée par une chambre d’ionisation. Ce résultat original majeur devra impérativement conduire à des études futures afin de mieux comprendre les dégâts infligés à la matière organique et biologique par les excitations. / Organic scintillation is the emission of light by an organic scintillator when irradiated by an external source of radiation depositing enough energy to excite the molecule. Electronic states are populated by the electronic transitions generated by the deposited energy. The states de-excite through radiationless transitions, except for one, the transition between the first electronic state and the ground state where a photon of fluorescence is emitted. This light has two different origins: i) direct excitation caused by primary radiation or secondary electrons which leads to an emission knows as prompt; ii) ionization caused by primary radiation or secondary electrons generate what is known as the delayed component. This fundamental research was based on both theoretical and experimental work. We studied all the different processes in organic scintillation, from the interaction between the incident radiation and matter to the emission of light in order to find the relationship between fluorescence and the deposited dose, to the application to medical dosimetry. Two well known organic scintillators, anthracene and p-terphenyl, were excited using an X-ray source set at typical medical imaging parameters. The light emitted was acquired and an analytical model was used to describe the different processes that led to light emission revealing interesting new results.An experimental setup, based on the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique, was developed to acquire fluorescence decay curves with nanosecond resolution using a continuous X-ray source. Afterwards, these curves were analyzed using an innovative mathematical approach in order to determine the prompt and delayed components.Results showed the ratio, defined as R, between the prompt and delayed components of fluorescence was constant and independent of the energy of the incident X-rays and that the response of the delayed component of fluorescence was linear to an ionization chamber. These observations were explained by considering that the only process taking place within the molecule after excitation was autoionization. Hence, the response of organic scintillator was the same as the one of an ionization chamber. Furthermore, due to the constant ration R, the response of prompt component of fluorescence was linear to the ionization chamber as well. This was the first time this behavior was observed and we referred to it as excitation dose. This dose was between 4 and 14 times bigger than the one measured with the ionization chamber. These original results suggested that energy is deposited mainly through excitation processes, suggesting the need for further studies to better understand the damage caused by excitation to the living.

Les méthodes perturbatives, telle que l’approximation de Born, sont nécessaires pour résoudre les problèmes inhérents à l’ionisation d’atomes et de molécules par impact d’électrons ou de positrons. Afin d’optimiser les calculs nécessaires pour le second terme de l’approximation de Born, nous avons commencé par étudier l’ionisation de l’atome le plus simple : celui d’hydrogène. Nous avons utilisé une base contenant un grand nombre d’états (294) nous permettant d’éviter la relation de fermeture qui nécessite l’introduction d’un paramètre qui représente la valeur moyenne d’excitation. Nos résultats ont montré un bon accord avec l’expérience surtout pour les faibles énergies des électrons éjectés. Nous avons ainsi pu montrer l’importance de la contribution des états du continuum (représentés par des pseudo-états), en particulier pour les transitions de type dipolaire. Pour la double ionisation de l’atome d’hélium, nous avons appliqué la même méthodologie de calcul numérique complet tout en incluant 20 états et pseudo-états intermédiaires et en utilisant une fonction d’onde corrélée d’interaction de configuration, on a trouvé pour les grandes énergies d’incidence (5 keV) que l’effet du terme Born 2 est presque nul. Par contre l’application de « SBA » avec la relation de fermeture pour l’état fondamental et les premiers états excités montre une petite différence avec « FBA » en particulier en dehors de la région du transfert. Dans le cas des faibles énergies d’incidence (601 eV) il était attendu d’obtenir un effet important de « SBA » surtout que des études sur les (e,3-1e) de l’hélium montrent un déplacement du pic principal par rapport à « FBA ». Donc on peut dire que les 20 états intermédiaires contribuent de façon insuffisante et qu’il faudra considérer beaucoup plus d’états / The perturbative methods, such as Born approximation, are necessary to solve the problems concerning the ionization of atoms and molecules by electrons or positrons impacts. In order to use Born approximation in an optimized way, we tested it on the simplest atom « Hydrogen » by using a basis of large amount of intermediate states (294) and complete numerical calculation without using the closure approximation whose application needs the introduction of a parameter which is the excitation mean value. Our results proved a significant agreement with the experiment particularly for small energies of the ejected electrons. We also proved an important contribution of the continuum (represented by the pseudo-states), and particularly the dipolar transition. For the double ionization of Helium atom, we applied the same methodology of complete calculation by including 20 intermediate states and pseudo-states and by using a configuration interaction wave function, we found that for high incident energy (5 keV) the effect of the second term of Born is almost zero. However, the application of the « SBA » with the closure approximation by using the fundamental state and the first excited states show a slight difference relative to the « FBA » particularly outside the transfer region. In case of low incident energy (601 eV), it was expected a crucial effect of the « SBA » especially that previous studies of (e, 3-1e) of Helium show a significant shift of the main peak relative to the « FBA ». So we can say that 20 intermediate states are not enough and the application of the « SBA » needs more states

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'effet Kondo moléculaire au sein de réseaux supramoléculaires bidimensionnels en contact avec des surfaces métalliques monocristallines. Les techniques mises en oeuvre sont la diffraction d'électrons lents (LEED) et la microscopie à effet tunnel (STM) pour l'étude de la croissance ainsi que la spectroscopie à effet tunnel (STS) et la photoémission pour l'étude des propriétés électroniques. Les molécules employées dans le cadre de ce travail sont composées de macrocycles de phtalocyanine et tétraphénylporphyrine. Elles ont été choisies sur la base de l'orbitale contenant le spin moléculaire. Dans un premier cas, une phtalocyanine non métallée 2HPc a été déposée sur une surface monocristalline d'Ag(111). Un transfert de charge du métal vers la molécule conduit à l'apparition d'un effet Kondo à base température observé par STS sur des molécules individuelles ainsi que sur des auto-assemblages. Dans le deuxième cas, nous avons choisi un composé hôte à double plateaux contenant un ion cérium de type 4f. Nous avons mis en évidence l'influence du substrat sur l'effet Kondo. En effet, tandis que nous observons par STS, l'apparition d'une résonance Kondo lorsque la molécule est auto-assemblée sur Ag(111), aucun effet n'est observé sur Cu(111). Les résultats sont discutés en terme d'interactions molécule-molécule et molécule-substrat / In this work, we investigated molecular Kondo effect in two-dimensional supramolecular lattices adsorbed on metallic single crystalline surfaces by means of low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) and photoemission (PES). The molecular compounds used in this PhD thesis have been chosen in regards to their spin orbital. The first molecule under investigation is a metal free phthalocyanine adsorbed on Ag(111). A Kondo effect has been evidenced by STS for single molecules as well as for self-assembly up to one monolayer coverage at low temperature. In that case, the spin originates from charge transfer from the Ag surface to the molecule. The second molecular compound is a double-decker molecule hosting a cerium 4f-ion. In that case, a Kondo resonance is evidenced by STS when it is self-assembled on Ag(111) whereas it is absent on Cu(111). These results are discussed in terms of intermolecular and molecule-metal interactions

Comprendre les propriétés des interfaces molécules/métaux est d’une importance capitale pour la spintronique organique. La première partie porte sur l’étude des propriétés magnétiques de molécules de phtalocyanine de manganèse. Nous avons montré que les premières couches moléculaires forment des colonnes avec un arrangement antiferromagnétique sur la surface de Co(100). Ces dernières mènent à de l’anisotropie d’échange. La seconde partie porte sur l’étude d’une molécule à transition de spin, la Fe(phen)2(NCS)2, sublimée sur différentes surfaces. Nous avons identifié les états de spin d’une molécule unique sur du Cu(100). De plus, nous avons commuté l’état de spin d’une molécule unique pourvu qu’elle soit suffisamment découplée du substrat. / Understanding the properties of molecules at the interface with metals is a fundamental issue for organic spintronics. The first part is devoted to the study of magnetic properties of planar manganese-phthalocyanine molecules and Co films. We evidenced that the first molecular layers form vertical columns with antiferromagnetic ordering on the Co(100) surface. In turn, these molecular columns lead to exchange bias. The second part is focused on the study of a spin-crossover complex, Fe(phen)2(NCS)2 sublimed on different metallic surfaces. We identified the two spin states of a single molecules on Cu(100). By applying voltages pulses, we switched the spin state of a single molecule provided that it is sufficiently decoupled from the substrate.