Des atomes 87Rb ont été refroidis et piégés pour servir de cibles lors d'études de collisions avec des projectiles Na+ à 2 et 5 keV. La physique étudiée concerne le processus d'échange de charge. L'électron actif, qui est généralement l'électron le plus périphérique de l'atome cible, transite depuis la cible vers le projectile ionique. La cible ionisée s'appelle ion de recul. La technique utilisée pour appréhender cette physique est la technique MOTRIMS, qui associe un piège magnéto – optique et un spectromètre d'impulsion d'ions de recul. Le spectromètre sert à mesurer l'impulsion des ions de recul qui contient toute l'information de la collision : le Q de réaction (qui est la différence d'énergie potentielle de l'électron actif sur chacun de ses hôtes) et l'angle de diffusion du projectile. Le piège fournit des cibles extrêmement froides afin d'optimiser la mesure de l'impulsion et d'affranchir cette dernière de l'agitation thermique. Au travers d'expériences cinématiquement complètes, la technique MOTRIMS donne accès à de meilleures résolutions sur les mesures d'impulsion. Des mesures de sections efficaces différentielles en états initiaux et finaux de capture et en angle de diffusion ont été réalisées. Les résultats obtenus pour les sections efficaces différentielles en états initiaux et finaux sont globalement en accord avec la théorie et une autre expérience. Néanmoins, des désaccords avec la théorie et cette autre expérience apparaissent pour les mesures de sections efficaces doublement différentielles. Ces désaccords ne sont pas encore compris. La particularité du dispositif expérimental conçu et testé au cours de ce travail, à savoir un faible bruit de fond, permet une grande sensibilité aux canaux de capture faiblement empruntés et apporte ainsi une plus-value technique et scientifique par rapport aux travaux antérieurs.

Le modèle de l'atome artificiel est l'image physique intuitive qui découle de la discrétisation du spectre énergétique des électrons, qui sont confinés dans les trois directions de l'espace dans une boîte quantique de semiconducteurs. Cette analogie avec les systèmes atomiques s'est révélée commode et fructueuse<br />pour étudier les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques de semiconducteurs. Elle a conduit à des expériences élégantes qui utilisent les concepts de base de la physique quantique de systèmes élémentaires et qui montrent l'intérêt des boîtes quantiques pour l'information quantique.<br /><br />Ces expériences ont cependant toutes en commun d'utiliser des boîtes quantiques à basse température et les mesures de spectroscopie optique sont faites sur l'état excitonique fondamental de la boîte quantique. Cette constatation lève d'emblée le problème des limites de validité du modèle de l'atome artificiel dont l'utilisation, certes fertile, semble pourtant se resteindre à des conditions expérimentales très précises.<br /><br />Dans ce document, nous allons aborder plus généralement l'étude des propriétés électroniques et optiques de boîtes quantiques dans le système modèle de nanostructures auto-organisées InAs/GaAs afin de cerner les limites de validité du modèle de l'atome artificiel.

Nous avons étudié les mécanismes responsables de la perte de cohérence dans des boîtes quantiques uniques auto-organisées InAs/GaAs. Dans un premier temps, une étude sous excitation continue de ces systèmes nous a permis d'observer un signal de photoluminescence anti-Stokes c'est à dire de la photoluminescence à plus haute énergie que l'énergie d'excitation. l'étude de ce signal a mis en évidence l'existence d'un continuum d'états descendant depuis la couche de mouillage jusqu'aux transitions des boîtes. Ce continuum d'états couplé à la fois aux niveaux discrets des boîtes et au continuum bidimensionnel de la couche de mouillage est en fait une propriété intrinsèque de ces systèmes car il provient de l'existence de transitions mixtes entre un état discret de la boîte et un état du continuum de la couche de mouillage. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de cohérence des excitations électroniques grâce à des mesures de largeur spectrale des transitions. Pour atteindre la résolution nécessaire à cette étude, nous avons mis au point un dispositif de spectroscopie de la photoluminescence par transformée de Fourier. La résolution ainsi atteinte est de 0,5 microeV. Nous avons alors mis en évidence que, pour les transitions excitées des boîtes, le couplage aux phonons acoustiques, contrairement aux prédictions théoriques de goulot d'étranglement de phonons, est très efficace, aussi efficace que dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette efficacité est due à la présence du continuum des états mixtes mentionné précédemment. A l'inverse, la transition fondamentale des boîtes présente bien une inhibition du couplage aux phonons acoustiques pour des boîtes dont la transition fondamentale est bien isolée énergétiquement de ce même continuum. Enfin, nous avons montré qu'une excitation non-résonante des boîtes est responsable d'un élargissement des transitions et qu'une excitation résonante permet de limiter les interactions des boîtes avec leur environnement pour atteindre la limite ultime d'un temps de décohérence limité par le temps de vie radiatif.

Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet.<br /> <br /> Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen.<br /> <br /> Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren: <br /> (i) ein Bereich eines stabilen Gemisches,<br /> (ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und <br /> (iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert.<br /> <br /> Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung.<br /> <br /> Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden. / The theory of atomic Boson-Fermion mixtures in the dilute limit beyond mean-field is considered in this thesis.<br /> Extending the formalism of quantum field theory we derived expressions for the quasi-particle excitation spectra, the ground state energy, and related quantities for a homogenous system to first order in the dilute gas parameter.<br /> <br /> In the framework of density functional theory we could carry over the previous results to inhomogeneous systems. We then determined to density distributions for various parameter values and identified three different phase regions: <br /> (i) a stable mixed regime, <br /> (ii) a phase separated regime, and <br /> (iii) a collapsed regime. <br /> <br /> We found a significant contribution of exchange-correlation effects in the latter case. Next, we determined the shift of the Bose-Einstein condensation temperature caused by Boson-Fermion interactions in a harmonic trap due to redistribution of the density profiles.<br /> <br /> We then considered Boson-Fermion mixtures in optical lattices. We calculated the criterion for stability against phase separation, identified the Mott-insulating and superfluid regimes both, analytically within a mean-field calculation, and numerically by virtue of a Gutzwiller Ansatz. We also found new frustrated ground states in the limit of very strong lattices. <br><br>----<br>Anmerkung:<br> Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2004 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam.

Dans cette étude, nous avons déterminé les propriétés électroniques de plusieurs types de composés moléculaires possédant un élément métallique. Notre motivation pour l'étude de tels systèmes était de montrer qu'il était possible d'obtenir une description précise d'états électroniques très proches en énergie, pour lesquels il est connu que les effets relativistes jouent un rôle important. Pour traiter ces effets nous avons mis en oeuvre différentes approches et méthodes, en particulier des méthodes multiconfigurationnelles, des pseudopotentiels atomiques et de grandes bases de fonctions. Dans une première étude nous avons déterminé les propriétés des états électroniques de plus basse énergie de composés diatomiques MX dont l'association en phase solide conduit à des composés semi-conducteurs présentant des propriétés piézoélectrique importantes. A l'aide de calculs électroniques incluant une large part de la corrélation électronique nous avons mis en évidence les propriétés communes à une famille de composés diatomiques possédant huit électrons de valence et qui peuvent être considérés comme précurseurs des solides piézoélectriques. Il a ainsi été possible d'identifier les couples diatomiques qui constituaient les meilleurs candidats pour une production d'effet piézoélectrique en phase solide. Dans la deuxième application, nous avons calculé la structure électronique et les constantes spectroscopiques de l'état fondamental de la molécule HZnF ainsi que les états de plus basse énergie des fragments diatomiques associés. Cette étude était motivée par une analogie avec un système voisin HZnCl dont les premiers états électroniques présentent des caractéristiques non complètement résolues. Après avoir validé notre approche sur l'étude de ZnH et comparé nos résultats à ceux d'études antérieures, nous avons entrepris la détermination de la structure électronique des molécules ZnF et ZnCl pour lesquelles nous avons pu identifier des états électroniques encore mal connus. Utilisant les résultats obtenus sur ZnH et ZnF, nous avons déterminé la surface d'énergie potentielle de l'état fondamental de HZnF et nous en avons déduit plusieurs grandeurs spectroscopiques caractérisant cet état / In this work we have investigated the electronic properties of several types of molecular systems involving a metallic element. Our motivation for such applications on metallic compounds was to obtain an accurate description of close lying electronic states, in which the relativistic effects of heavy atoms are known to be important. Thus various approaches and methods have been employed to treat these effects, including the multi-configurational method, with atomic pseudopotentials and large basis sets. In the first study, we have determined the properties of the low lying electronic states of the diatomic compounds MX, whose combinations in the solid phase produce ionic semi-conductor materials with piezoelectric properties. Based on highly correlated ab initio calculations, we have elucidated the common properties of the low lying electronic states of these diatomic compounds with eight valence electrons, which can be considered as precursors for piezoelectric effects in their solid phase. Based on our electronic structure calculations, we could identify among these diatomic compounds those who could lead to good candidates for piezoelectric effects. As the second application, we have determined the electronic structure and the spectroscopic constants for the ground state of the HZnF molecule and for the low lying electronic states of its diatomic fragments. This application was initiated and motivated by interesting and puzzling results on the close system HZnCl. Comforted by our experience with the previous studies, we used the pseudopotentials approach to obtain an accurate description of the low lying states of ZnH which could be satisfactorily compared with existing data. Next, the ZnF and ZnCl diatomic molecules have been studied with the same ansatz to reveal the properties of so far unknown electronic states. Finally, the potential energy surface of the ground state of HZnF has been determined, and several spectroscopic properties have been deduced

The work presented in this dissertation concerns dynamics of Rydberg atom lattices in the presence of noise and dissipation. Rydberg atoms possess a number of exaggerated properties, such as a strong van der Waals interaction. The interplay of that interaction, coherent driving and decoherence leads to intriguing non-equilibrium phenomena. Here, we study the non-equilibrium physics of driven atom lattices in the presence of decoherence caused by either laser phase noise or strong decay. In the first case, we compare between global and local noise and explore their effect on the number of excitations and the full counting statistics. We find that both types of noise give rise to a characteristic distribution of the Rydberg excitation number. The main method employed is the Langevin equation but for the sake of efficiency in certain regimes, we use a Markovian master equation and Monte Carlo rate equations, respectively. In the second case, we consider dissipative systems with more general power-law interactions. We determine the phase diagram in the steady state and analyse its generation dynamics using Monte Carlo rate equations. In contrast to nearest-neighbour models, there is no transition to long-range-ordered phases for realistic interactions and resonant driving. Yet, for finite laser detunings, we show that Rydberg atom lattices can undergo a dissipative phase transition to a long-range-ordered antiferromagnetic phase. We identify the advantages of Monte Carlo rate equations over mean field predictions. Having studied the dynamics of Rydberg atom lattices, we study an application of the strong interactions in such systems for quantum information processing. We investigate the coherent exchange of a single photon between a superconducting microwave cavity and a lattice of strongly interacting Rydberg atoms in the presence of local electric field fluctuations plaguing the cavity surface. We show that despite the increased sensitivity of Rydberg states to electric fields, as compared to ground state atoms, the Rydberg dipole-dipole interaction can be used to protect the system against the dephasing induced by the local noise. Using $1/f$ and laser phase noise models, we show that compared to the case with non-interacting atoms, our system exhibits longer coherence lifetimes and larger retrieval efficiency of the photon after storing into the atoms.

Cette thèse développe les points suivants : Réactions d'échange de charge avec les ions multicharges dans le milieu interstellaire. Calcul de structure moléculaire. Développement d'une méthode de potentiel-modèle à un électron. Traitement collisionnel quantique de l'échange de charge des ions C(+2), Si(+2), N(+3) et C(+4) avec l'hydrogène atomique dans le milieu interstellaire.

Ce mémoire de thèse rapporte deux études de l'interaction d'ions ou d'atomes d'énergie de l'ordre du<br />keV avec des surfaces isolantes lors de la diffusion en incidence rasante.<br />La première partie étudie les processus d'échange de charge au-dessus d'une surface de NaCl. En particulier, le mécanisme de neutralisation des ions S^+, C^+, Xe^+, H^+, O^+, Kr^+, N^+, Ar^+, F^+, Ne^+ et He^+ est déterminé par la mesure de la perte d'énergie en coïncidence avec la détection des électrons. Ces résultats montrent l'importance de la double-capture électronique pour la neutralisation des ions ayant trop d'énergie potentielle pour une capture résonnante et insuffisamment pour un processus Auger. Nous avons également étudié l'ionisation du projectile ou de la surface ainsi que les différents mécanismes de neutralisation de type Auger avec émission de l'électron, population de la bande de conduction ou d'état excité. Lors de la diffusion d'oxygène, nous mesurons un rendement électronique plus élevé en coïncidence avec les ions négatifs diffusés qu'avec les atomes suggérant la formation transitoire au-dessus de la surface de l'ion doublement négatif d'oxygène.<br />La seconde étude porte sur la diffraction d'atomes rapides, un phénomène nouveau observé pour la première fois lors de cette thèse. En raison de la grande vitesse parallèle, la surface apparaît comme une tôle ondulée où les rangées interfèrent. À la manière de la diffraction d'atome thermique le motif de diffraction correspond au potentiel et est sensible aux vibrations. Nous avons pu étudier les potentiels H–NaCl et He–LiF dans la gamme 20 meV–1 eV. Cette nouvelle méthode ouvre des perspectives intéressantes pour la caractérisation de surface.

Etude du signal de corrélations temporelles entre photons émis dans les bandes latérales du triplet de fluorescence. Ce signal constitue une analyse mixte de la lumière de fluorescence puisqu'il concerne a la fois ses caractéristiques spectrales et temporelles. Etude théorique de cet effet: le calcul perturbatif du champ diffuse par l'atome et la méthode utilisant les équations de bloch ont permis d'interpréter l'effet mis en évidence expérimentalement. Une autre approche théorique présentée est la méthode de l'atome habille.

Un atome de Rydberg circulaire et un champ électromagnétique stocké dans une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité constituent un système simple, bien isolé de son environnement et permettant d'étudier l'interaction rayonnement-matiére. Dans ce mémoire nous présentons une expérience réalisé dans une situation où l'atome et le champ sont en résonance. Le signal de Rabi correspondant à l'évolution de la population atomique présente des composantes de Fourier dont les fréquences sont proportionnelles aux racines carrées des entiers successifs ; ceci met directement en évidence la quantification du champ dans la cavité. Nous montrons également que l'analyse des signaux permet de remonter aux propriétés statistiques du champ. Enfin, en analysant l'interaction non résonante de l'atome avec la cavité, nous montrons que dans un futur proche, il sera possible de préparer des superpositions quantiques d'états du champ présentant des différences mésoscopiques. Ces états sont de type "chat de Schrödinger". L'étude de la décohérence de ces états en fonction du nombre de photons que contient le champ permet d'explorer la frontière qui existe entre le monde quantique et le monde classique.