Th.--Sci. phys.--Grenoble 1, 1983. N°: 11. / Extr. en partie du Journal de physique, 41, 1980, 819-830 ; de Journal of physics. B, Atomic and molecular physics, 11, 1978, 22, 3875-3886 et de Journal of chemical physics, 72, 1980, 12. 6698-6705.

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Cette thèse présente les études préparatoires à la construction d'un interferometre atomique de Mach-Zehnder, utilisant le lithium. Dans cet interferometre, les faisceaux qui interfèrent sont spatialement séparés sans que l'état interne des atomes soit modifié. Les séparatrices sont des réseaux de diffraction formés d'ondes laser stationnaires et quasi-résonnantes. Nous expliquons le processus de diffraction dans différents régimes, en utilisant les fonctions de Bloch pour représenter l'onde atomique à l'intérieur de l'onde laser. Dautre part, nous avons développé un modèle presque totalement analytique de la propagation des ondes atomiques dans les interféromètres de Mach-Zehnder, pour étudier le contraste du signal d'interférences de manière très générale : cas des réseaux d'amplitude ou des réseaux de phase, effets des faisceaux parasites, effets des principaux déréglages, cas monochromatique ou faiblement polychromatique. Enfin, nous discutons trois mesures interférométriques qui nous semblent particulièrement intéressantes. L'indice de réfraction d'un gaz pour une onde atomique est étudiée en grand détail. Les autres expériences proposées concernent les propriétés électriques de l'atome de lithium. Nous discutons les limites ultimes de la mesure de la polarisabilité électrique statique du lithium par interférometrie atomique. Nous montrons ensuite comment on peut, en modifiant la configuration expérimentale, mesurer l'éventuelle charge de l'atome de lithium, avec une très grande sensibilité, comparable à celle des expériences antérieures, à condition d'utiliser des atomes ralentis.

Deux domaines différents de la physique des collisions ont fait l'objet de mes travaux de thèse réalisés dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université Moulay Ismail, Meknes-Maroc et l'Université Pierre et Marie Curie, Paris-France: le premier concerne les collisions ion-atome/molécule dans le régime des énergies intermédiaires (keV), alors que le second vise le domaine des collisions électron-atome assistées par un champ laser intense. Bien que distincts, les deux thèmes sont interconnectés puisqu'il s'agit principalement d'étudier, dans des approches non-perturbatives, les phénomènes de diffusion et la dynamique électronique des collisions de cibles atomiques et moléculaires soumis à de fortes et très courtes perturbations. La première partie porte spécifiquement sur la modélisation des processus de transfert électronique et d'ionisation induits lors de collisions d'ions et de cibles atomiques et moléculaires. L'étude porte particulièrement sur les phénomènes d'interférences de type Young, de multi-diffusion et de diffraction Fraunhofer observés au cours de ces processus. La deuxième partie de thèse repose sur une étude des processus de diffusion élastiques et inélastiques induits lors de collisions assistées par un champ laser intense. L'étude s'appuie sur l'analyse spécifique des transitions "libre-libre" au cours lesquelles la cible reste dans son état fondamental après la collision, et des phénomènes de résonance dans le processus d'excitation simultanée électron-photon de la cible.

Deux domaines différents de la physique des collisions ont fait l'objet de mes travaux de thèse réalisés dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université Moulay Ismail, Meknes-Maroc et l'Université Pierre et Marie Curie, Paris-France: le premier concerne les collisions ion-atome/molécule dans le régime des énergies intermédiaires (keV), alors que le second vise le domaine des collisions électron-atome assistées par un champ laser intense. Bien que distincts, les deux thèmes sont interconnectés puisqu'il s'agit principalement d'étudier, dans des approches non-perturbatives, les phénomènes de diffusion et la dynamique électronique des collisions de cibles atomiques et moléculaires soumis à de fortes et très courtes perturbations. La première partie porte spécifiquement sur la modélisation des processus de transfert électronique et d'ionisation induits lors de collisions d'ions et de cibles atomiques et moléculaires. L'étude porte particulièrement sur les phénomènes d'interférences de type Young, de multi-diffusion et de diffraction Fraunhofer observés au cours de ces processus. La deuxième partie de thèse repose sur une étude des processus de diffusion élastiques et inélastiques induits lors de collisions assistées par un champ laser intense. L'étude s'appuie sur l'analyse spécifique des transitions "libre-libre" au cours lesquelles la cible reste dans son état fondamental après la collision, et des phénomènes de résonance dans le processus d'excitation simultanée électron-photon de la cible.

Deux domaines différents de la physique des collisions ont fait l’objet de mes travaux de thèse réalisés dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université Moulay Ismail, Meknes-Maroc et l'Université Pierre et Marie Curie, Paris-France: le premier concerne les collisions ion-atome/molécule dans le régime des énergies intermédiaires (keV), alors que le second vise le domaine des collisions électron-atome assistées par un champ laser intense. Bien que distincts, les deux thèmes sont interconnectés puisqu'il s'agit principalement d'étudier, dans des approches non-perturbatives, les phénomènes de diffusion et la dynamique électronique des collisions de cibles atomiques et moléculaires soumis à de fortes et très courtes perturbations. La première partie porte spécifiquement sur la modélisation des processus de transfert électronique et d'ionisation induits lors de collisions d'ions et de cibles atomiques et moléculaires. L'étude porte particulièrement sur les phénomènes d'interférences de type Young, de multi-diffusion et de diffraction Fraunhofer observés au cours de ces processus. La deuxième partie de thèse repose sur une étude des processus de diffusion élastiques et inélastiques induits lors de collisions assistées par un champ laser intense. L'étude s’appuie sur l’analyse spécifique des transitions "libre-libre" au cours lesquelles la cible reste dans son état fondamental après la collision, et des phénomènes de résonance dans le processus d'excitation simultanée électron-photon de la cible. / This work has been performed as a joint PhD between Université Moulay Ismail, Meknes-Morocco, and Université Pierre et Marie Curie, Paris-France. It concerns two different areas of collision physics: the first part of my research covers the study of ion-atom/molecule collisions in the intermediate energies (keV) , while the second deals with laser-assisted electron-atom scattering. The two subjects are interconnected since both concern the description of electronic processes occurring in scattering events and the study of highly non linear response of atomic and molecular targets to high or short time-dependent perturbations. The first part of the thesis focuses specifically on the modeling of electron transfer and ionization processes induced in collisions of ions and atomic/molecular targets. My work concentrates mainly on the phenomena of Young-type interferences, multi-scattering and Fraunhofer diffraction observed during these processes. The second part concerns the study of elastic and inelastic processes induced in electron-atom collisions in the presence of a strong laser field. The investigations focus on free, free transitions, in which the target remains in its initial state after the collision, and resonance phenomena in more complex processes where the target is simultaneously excited by the the electron-projectile and the radiation and when collisional and radiative interactions are strong enough to concurrently modify the internal state of the target

Ce travail de thèse est une étude théorique et numérique du processus de transfert de charge résonnant(TCR), entre un atome (ion) et une surface métallique pendant une collision. Le TCR correspond au passage d'un électron de l'atome vers le métal, sans changer d'énergie. On étudie le TCR dans des systèmes à plusieurs états électroniques. Ces états peuvent être localisés sur un projectile, ou sur un projectile et sur une impureté de la surface. Une attention particulière est portée aux transitions induites entre différents états du système par le mouvement du projectile. La Méthode de Propagation de Paquets d'Ondes, qui consiste en une solution directe sur une grille de l'équation de Schrödinger dépendant du temps, est utilisée dans ce travail. Dans la première partie de la thèse, on étudie les perturbations locales du TCR entre le projectile (un ion H-) et la surface métallique (Al ou Cu(111)), induits par la présence d'un adsorbat alcalin (Li ou Cs). Un intérêt particulier est porté au caractère 3-corps du TCR (l'électron interagit avec le projectile, l'adsorbat et le substrat). Les résultats pour Cu(111), qui possède une bande interdite projetée dans la direction normale à la surface, sont très différents des résultats pour Al, qui est un prototype du métal à électrons libres. Dans la deuxième partie de la thèse, on étudie le TCR entre des atomes de Rydberg (Xe) et une surface métallique, dans un champ électrique extérieur. Les transitions induites par la collision avec la surface entre les différents états de projectile influencent le TCR. Ces résultats permettent d'expliquer les résultats expérimentaux récents du groupe de F.B. Dunning, Houston, USA. Ce travail de thèse montre l'importance d'une étude explicite de la dynamique de TCR entre un atome (ion) et une surface métallique pour la compréhension des interactions atome (ion) - surface.

La spectroscopie d'électrons Auger est utilisée pour l'étude expérimentale des processus d'ionisation et d'excitation électronique de l'atome de lithium par impact d'ions (Kr34+ et Ar18+) et d'électrons à haute vitesse (de 6 à 60 u.a.). L'objectif est de déterminer la contribution relative des mécanismes responsables de l'ionisation-excitation en couche K du lithium pour des projectiles de charges Zp et de vitesses vp différentes. Un large domaine de paramètres de perturbation |Zp|/vp est exploré (|Zp|/vp = 0,05 - 0,7 u.a.). Les résultats sur la simple excitation en couche K montrent que l'interaction projectile-électron donne essentiellement lieu à une transition dipolaire 1s -> np Dans le cas de l'ionisation-excitation en couche K, l'accent est mis sur la séparation des mécanismes TS2 (deux interactions projectile-électron indépendantes) et TS1 (une interaction projectile-électron) responsables de la formation des états 2snp 1,3P et 2sns 1,3S du lithium. Lors du processus TS1, l'interaction projectile-électron peut être suivie d'une interaction électron-électron (processus diélectronique) ou d'un réarrangement du cortège électronique après changement brutal du potentiel au sein de la cible (processus shake). Des calculs ab initio sont effectués dans le cadre de la théorie de Born. Le bon accord observé entre le calcul et l'expérience valide l'identification des mécanismes. Dans le cas des états P, le processus TS1 est dominant pour de faibles valeurs de |Zp|/vp, alors que le processus TS2 est prépondérant aux grandes valeurs de |Zp|/vp. Le processus shake ne pouvant peupler les états P de façon significative, la séparation de TS1 et TS2 conduit directement à la mise en évidence de la nature diélectronique du processus TS1. Les états S sont, quant à eux, quasi exclusivement peuplés par le processus TS1. À ce jour, seul le caractère shake de TS1 permet de comprendre que la configuration 2s3s soit préférentiellement peuplée par rapport à 2s2.

Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel. / Quantum phenomena give rise to new and revolutionary possibilities in the fields of computation and cryptography. The problems that are unsolvable with classical means are expected to be solved by quantum computers, and communication becomes absolutely secure, if it is encoded in a state of a quantum system. A large effort has been recently paid to research of deterministic transfer of information between photons and atoms, acting as flying and stationary quantum bits respectively. The interaction between these two components is enhanced, if they are put in a unidimensional medium, realizing a so called "1D atom". The study of this specific optical medium and its applications to quantum technologies constitutes the objective of this thesis.First, we explore the light-matter interface realized as a 1D atom, with a semiconductor quantum dot in a micropillar cavity as an example. We study the coherent control of this system with light pulses in order to find an optimal way to control its state, varying the power, shape and duration of a pulse and statistics of the state of light field. We also study the impact of the 1D atom on the state of the reflected field as a function of parameters of the experimental device, describing the filtering of single photon Fock state from incident pulse.We continue with the study of the quantum state of the scattered light field, focusing on its purity. This is required to faithfully transmit the superposition state of one stationary qubit to another using light as a flying quantum bit. We develop a method to experimentally characterize the purity, and apply it to experimental data, showing that the state of art technology allows to create high-purity superpositions.Finally, we focus on the readout of a stationary qubit based on a single spin in a unidimensional environment. We study how to efficiently use polarized light for this purpose, showing that it is possible to readout the spin state, by detection of only one photon. We explore different deviations from this optimal regime. We also study the decoherence of the spin state due to interaction with the light field and the back-action of the measurement, showing that it is possible to freeze the spin state due to the quantum Zeno effect, which allows the preparation of the qubit, based on it, in an arbitrary superposition state. This opens perspectives towards efficient realization of stationary quantum bits based on single spins embedded in unidimensional electromagnetic environment.

Les systèmes quantiques ouverts décrivent l'évolution d'un système de référence S en interaction avec un ou plusieurs autres systèmes appelés environnements. Pour les étudier on rencontre deux approches dans la littérature: l'approche hamiltonienne, où on décrit complètement les systèmes et leurs interactions, et l'approche markovienne, où on abandonne l'idée de décrire l'environnement et on considère une dynamique, dite effective, du système S seul mais prenant en compte les effets de l'interaction avec l'environnement.Nous nous intéresserons dans cette thèse à une classe particulière de tels systèmes: les système quantiques avec interactions répétées. Le système S interagit successivement avec une suite de sous-systèmes indépendants. L'approche de ces systèmes est à la fois hamiltonienne et markovienne. Leur étude joue un rôle fondamental dans la compréhension pratique et théorique des processus d'interaction matière-lumière ainsi qu'en optique quantique (expérience du maser à un atome).Cette thèse porte sur l'étude d'un système de type maser à un atome. Le modèle considéré décrit un champ électromagnétique dans une cavité et traversé par un faisceau d'atomes mais auquel on ajoute un réservoir supplémentaire interagissant de façon continue avec le champ électromagnétique. L'idée est que la cavité n'est pas parfaitement isolée et le réservoir permet de modéliser les fuites dans la cavité. Ainsi l'interaction entre le champ électromagnétique et les atomes est décrit par un système quantique avec interactions répétées et l'interaction entre le champ électromagnétique et le réservoir est décrit par une approche hamiltonienne des systèmes quantiques ouverts.Le système "cavité+réservoir" à été étudié par Könenberg en se basant sur des travaux de Arai. Via une diagonalisation du Hamiltonien du système couplé il montre des propriétés de retour à l'équilibre. Dans une première partie nous donnerons une nouvelle approche de ces travaux en utilisant des résultats récents de Nam, Napiórkowki et Solovej sur la diagonalisation des hamiltoniens bosoniques quadratiques.Dans un premier temps, nous étudierons l'auto-adjonction des Hamiltoniens du système et on s'intéressera notamment à la diagonalisation de l'un d'eux. Dans un second temps, nous étudierons le comportement en temps long du système, nous obtenons entre-autres des formules explicites pour l'évolution à un temps donné des observables de Weyl. Ces résultats nous permettent d'étudier la variation d'énergie totale ainsi que les échanges d'énergies dans le système. Enfin on terminera en étudiant la production d'entropie dans le système que l'on reliera aux formules de variation d'énergie. Pour cela on généralisera au préalable la formule dite de production d'entropie de Jaksic et Pillet. / Open quantum systems describe the evolution of a system S in interaction with one or more other systems called environments. Two approaches in the literature to study such systems: the hamiltonian approach in which the entire system is considered, and the markovian approach in which one gives up the idea of describing the environment and only considers a so called effective dynamics of the system S which takes into account the effect of the environment.A particular class of such systems will interest us: the quantum systems with repeated interactions. The system S interacts successively with a series of independent subsystems. The approach of these systems is both Hamiltonian and Markovian. Their study plays a fundamental role in the understanding of light-matter interactions as well as in quantum optics (like one-atom maser experiment).In this thesis we study a repeated interaction system of the one-atom maser type. The model describes an electromagnetic field trapped in a cavity and a beam of atoms passing through it but with an additional reservoir interacting continuously with the electromagnetic field. The idea is that the cavity is not perfectly isolated and we describe the leaks in the cavity via the interaction with this reservoir. Thus the interaction between the electromagnetic field and the atoms is described by a quantum system with repeated interactions and the interaction between the electromagnetic field and the reservoir is described by a Hamiltonian approach of open quantum systems.The system "cavity+reservoir" has been studied by Konenberg, based on previous works by Arai. Usingan explicit diagonalization of the hamiltonian he proved some properties of return to equilibrium. In a first part we will give a new approach to it using recent results by Nam, Napiorkowski and Solovej about the diagonalization of quadratic bosonic hamiltonians.First we study the self-adjointness of some Hamiltonians which will play an important role in this thesis and we consider the diagonalization of one of them. In a second time, we study the long time behavior of the system, we obtain an explicit formula for the evolution at a given time of Weyl observables. These results will also allow us to study the total energy variation as well as the energy exchanges in the system. Finally we study the entropy production in the system and relate it to the energy variation. To do so we will need to slightly generalize the Jaksic-Pillet entropy production formula.