Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection. / In this thesis, we firstly investigated the striking influence of random disorder on light transport near band edges in one dimensional photonic crystal wave guides, i.e. light localization. Near-field measurements, statistical simulations and theoretical model revealed the existence of a lower bound for the spatial extent of localized modes. We also showed that the disorder level and the spatial extent of individual localized mode is linked by the photon effective mass rather than the generally considered group velocity. Secondly, hybrid cold atoms and photonic crystal wave guides system have been recognized as a promising paradigm for engineering large light-matter interaction at single atoms and photons level. In this thesis, we studied the basic physics, i.e. light transport in periodic nanophotonic wave guides coupled to two-level atoms. Our developed general semi-analytical expression can quickly characterize the coupling between cold atoms and guided photons. Aim to overcome the significant technical challenges existed for developing hybrid atom-photonic systems, we designed a nanophotonic waveguide, which supports a slow guided Bloch mode with large evanescent tail in free space for cold atoms trapping (release the limitation imposed by Casmir Polder force and technical challenge of nanoscale manipulation of cold atoms). To match precisely the slow light region of the guided mode to the atomic transition line, we carefully engineered the photonic band and the dispersion curve (i.e.flatness) of the guided mode so that the interaction strength is robust against unpredictable fabrication imperfection.

L'interaction entre un rayonnement laser et un système atomique, peut conduire à différents processus physiques comme la photoionisation, l'ionisation multiphotonique, l'ionisation tunnel, génération d'harmoniques d'ordres élevés... L'importance de chacun de ces processus est en fait dépend de l'intensité et de la fréquence du champ laser considéré. Ce travail de thèse a porté sur la description de l'interaction d'un champ laser (Infrarouge et/ou Haute fréquence) avec un atome d'hydrogène (archétype d'un système à un électron actif). Nous avons tout d'abord développé les méthodes numériques pour la résolution de l'équation de Schrödinger dépendante du temps décrivant le système laser-atome d'hydrogène. Ces méthodes nous ont permis d'écrire un code numérique pour la simulation des solutions de cette équation. Nous les avons ensuite utilisées, après la vérification de la convergence de notre programme numérique pour présenter les résultats sur la photoionisation à un seul photon, sur l'ionisation multiphotonique et aussi sur un autre phénomène résultant du processus d'ionisation, il s'agit de l'absorption de photons au dessus du seuil d'ionisation, nommé processus ATI (Above Threshold Ionization). Ensuite, nous appliquerons ce code numérique à la photoionisation de l'atome d'hydrogène combinant deux photons, infrarouge (basse fréquence) et l'une de ses harmoniques (haute fréquence). Finalement, un calcul de la distribution angulaire des électrons émis a été effectué numériquement. / The interaction between laser radiation and atomic system, can lead to various physical processes such as photoionization, multiphoton ionization, tunneling ionization, High Order Harmonic Generation ... The importance of each of these processes is in fact dependent on the intensity and frequency of the laser field. In this thesis, we describe the interaction of a laser field (Infrared and / or high frequencie) with hydrogen (arche-type of a system with one active electron). We first developed numerical methods for solving the time-dependant Schrödinger equation of time describing the hydrogen atom laser system. These methods allowed us to write a numerical code for the simulation of solutions of this equation. We then used, after the verification of the numerical convergence of our program to present the results on the single-photon photoionization on multiphoton ionization. We also concentrate on another phenomenon resulting from the ionization process, it is absorption of photons above the ionization threshold, named process ATI (above threshold ionization). Then, we will apply this numerical code to the photoionization hydrogen combining two photons, infrared (low frequency) and one of its harmonics (high frequency). Finally, a calculation of the angular distribution of the emitted electron was carried out numerically.

Dans ce mémoire de thèse, je rapporte les résultats des études réalisées durant ces trois dernières années à l'Institut Non Linéaire de Nice. D'une part, je présente nos expériences de miroir de rétro-action conduisant à la formation spontanée de patterns dans la section transversale d'un faisceau laser (pompe) traversant le centre d'un nuage d'atomes froids de 87Rb et rétro-réfléchi par un miroir placé à une distance du nuage. Dans ces expériences nous discernons trois types de mécanismes de nonlinéarités : la nonlinéarité de spin qui est liée au pompage Zeeman, la nonlinéarité électronique existant pour un atome à deux niveaux et la nonlinéarité opto-mécanique qui est liée à la force dipolaire. Ces mécanismes dépendant des paramètres du MOT et de la pompe (intensité, désaccord, durée) sont étudiés séparément en jouant sur ces paramètres. Ces études expérimentales sont comparées avec des résultats obtenus avec des modèles théoriques. D'autre part, je présente nos observation concernant la densité d'état intégrée et les la densité d'états locale des bandes d'un quasi-cristal bidimensionnel. Dans cette expérience réalisée au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, nous avons réalisé des quasi-cristaux en disposant des résonateurs diélectriques agissant dans le domaine micro-onde sur des pavages de Penrose 2D. Un modèle numérique prenant en compte les paramètres expérimentaux est utilisé pour comparer les résultats obtenus. / First, I present our feedback experiment leading to the spontaneous formation of patterns in the cross section of a laser beam passing through a cloud of cold 87Rb atoms and retroreflected by a mirror. In these experiments we were able to identify three mechanisms of nonlinearity: the spin nonlinearity associated with the Zeeman degrees of freedom, the electronic nonlinearity due to the saturation of a two-level atom and the optomechanical nonlinearity due to the spatial bunching of atoms by the dipole force. The instabilities corresponding to each nonlinear mechanism occurs in different range of the experimental parameters and can be selected and studied independently. The experimental observations are compared with various theoretical models. In the second part of the thesis, I present our study of the integrated density of states (IDOS) and the local density of states (LDOS) of the bands of a two-dimensional quasicrystal. In an experiment conducted at Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), we realized quasicrystals by disposing dielectric resonators operating in the microwave regime on 2D Penrose tiling. A numerical model including experimental parameters is used to compare to the experimental findings.

Connaître la représentation sociale (RS) d'un concept scientifique peut servir d'appui à l'enseignement - apprentissage. La problématique de ce travail de thèse, qui s'inscrit en didactique des sciences, interroge la RS de l'atome chez des élèves français et grecs, en collège et en lycée. En parallèle, est étudiée la transposition didactique de ce concept, dans l'enseignement général scientifique des deux pays, de 1945 à nos jours. La théorie des situations didactiques, la théorie anthropologique du didactique et la théorie du noyau central, quant au concept de RS, constituent nos appuis théoriques. Nous avons suivi une méthode triangulaire de récolte et de traitement de données, issues d'entretiens, de dessins d'élèves et de questionnaires types de détection des RS. En outre, nous avons élaboré une grille d'analyse didactique de manuels scolaires de physique-chimie. Les résultats ainsi obtenus ont été comparés avec ceux issus d'une analyse textuelle, menée sur Alceste. La confrontation des systèmes représentationnels a révélé des convergences, mais aussi quelques différences, dues aux particularités transpositives dans les deux systèmes d'enseignement. En effet, le modèle planétaire de l'atome et la notion du noyau atomique occupent le noyau central de la RS, alors que les notions d'électron et de proton se placent en périphérie proche. Part ailleurs, le « nucléaire » semble être un élément saillant pour les français, tandis que chez les grecs dominent des éléments relatifs à la modélisation d'atome. En conclusion, l'enseignement peut être entravé par l'activation d'un processus représentationnel, donnant naissance à des systèmes de représentations - connaissances. / Understanding the social representation of a scientific concept may be useful to the teaching and learning of it. The central question of this dissertation, that belongs to the didactic of the Sciences, is the social representation of the atom in French and Greek middle and high school students. Simultaneously, the didactic transposition of this concept in the general scientific education of these two countries is studied, from 1945 up to today. Our theoretical foundation with regard to social representations, is comprised of the theory of didactic situations, the anthropological theory of didactic, and the theory of the central core. We have collected, processed and combined data comprised of student interviews, drawings and answers to questionnaires to study the social representations. Furhermore, we have designed a technique of didactic analysis of Physics and Chemistry high school textbooks. The obtained results were compared with those of textual analysis using the Alceste software. The comparison of the representation systems revealed both similarities and differences, due to peculiarities in the didactic transposition, in the two educational systems. In both systems, it is the planetary model of the atom and the notion of the atomic nucleus that occupy the central core of the representation, while the notions of the electron and the proton are placed in the near periphery. On the other, the nuclear dimension of the atom is very important to the French, while to the Greeks it is elements related to the modelling of the atom that dominate. In conclusion, teaching may be hindered by the activation of a representation process giving rise to systems of representation.

Studies of the hyperfine splitting in hydrogen are strongly motivated by the level of accuracy achieved in recent atomic physics experiments, which yield finally model-independent informations about nuclear structure parameters with utmost precision. Considering the current status of the determination of corrections to the hyperfine splitting of the ground state in hydrogen, this thesis provides further improved calculations by taking into account the most recent value for the proton charge radius. Comparing theoretical and experimental data of the hyperfine splitting in hydrogen the proton-size contribution is extracted and a relativistic formula for this contribution is derived in terms of moments of the nuclear charge and magnetization distributions. An iterative scheme for the determination of the Zemach and magnetic radii of the proton is proposed. As a result, the Zemach and magnetic radii are determined and the values are compared with the corresponding ones deduced from data obtained in electron-proton scattering experiments. The extraction of the Zemach radius from a rescaled difference between the hyperfine splitting in hydrogen and in muonium is considered as well. Investigations of forbidden radiative transitions in few-electron ions within ab initio QED provide a most sensitive tool for probing the influence of relativistic electron-correlation and QED corrections to the transition rates. Accordingly, a major part of this thesis is devoted to detailed studies of radiative and interelectronic-interaction effects to the transition probabilities. The renormalized expressions for the corresponding corrections in one- and two-electron ions as well as for ions with one electron over closed shells are derived employing the two-time Green's function method. Numerical results for the correlation corrections to magnetic transition rates in He-like ions are presented. For the first time also the frequency-dependent contribution is calculated, which has to be accounted for preserving gauge invariance. One-loop QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude between the fine-structure levels 2p_{3/2} and 2p_{1/2} are calculated to all orders in \alpha Z. Taking into account consistently relativistic, interelectronic-interaction, and QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude allows for predictions of the lifetimes of the states (1s^2 2s^2 2p)^2P_{3/2} in B-like ions and (1s^2 2s 2p)^3P_2 in Be-like ions with utmost precision. The results of corresponding calculations are compared with experimental data obtained in recent measurements at the Heidelberg EBIT. Finally, for He-like ions with nonzero-spin nuclei the effect of hyperfine quenching on the lifetimes of the 2^3P_{0,2} states is investigated and again compared available experimental data.

Cette thèse présente le devenir atmosphérique de trois alcools saturés CH3(CH2)4OH, CH3CH2CH2CH(OH)CH3 et (C2H5)2CHOH, de trois esters CH3CH2CH2C(O)OC2H5, CH3CH2C(O)OC2H5 et CH3CH2C(O)OCH2CH2CH3 ainsi que d’un HFC insaturé (CF3)2C=CH2 avec OH et Cl. La constante de vitesse de la réaction avec OH de ces composés a été déterminée en fonction de la température (253 – 373 K), en utilisant la technique Photolyse Laser Pulsée couplée à la Fluorescence Induite par Laser (PLP-FIL). La constante de vitesse de la réaction de OH et de Cl avec les alcools, les esters et l’hexafluoroisobutène (HFIB) a été également déterminée à température ambiante en utilisant la chambre de simulation atmosphérique. Pour la réaction du radical OH avec le HFC et de l’atome Cl avec les esters et le HFC, il s’agit d’une première détermination des constantes de vitesse. Les constantes de vitesse obtenues sont comparées à la littérature, la réactivité des alcools et des esters a été discutée. Enfin, le calcul des durées de vie de ces composés ainsi que la recherche de leurs produits éventuels ont permis d’évaluer l’impact atmosphérique de ces composés sur l’environnement. / In this thesis we report the atmospheric fate of three saturated alcohols: CH3(CH2)4OH, CH3CH2CH2CH(OH)CH3 and (C2H5)2CHOH, three esters: CH3CH2CH2C(O)OC2H5, CH3CH2COOC2H5 and CH3CH2COOCH2CH2CH3 and an unsaturated HFC with OH radicals and Cl atoms. The rate coefficients of OH reactions with these compounds have been measured over the temperature range 253 – 373 K, using the Pulsed Laser Photolysis – Laser Induced Fluorescence technique (PLP-LIF). Moreover the rate coefficients of OH and Cl reactions with alcohols, esters and hexafluoroisobutene (HFIB) have been determined at room temperature, using smog chambers. For the reaction of OH radicals with HFIB and Cl atoms with esters and HFIB, the rate coefficients obtained in this study present the first determination. The results have been compared with the literature and the reactivity of the compounds has been discussed. Finally, the atmospheric lifetimes of these compounds have been determined and the OH oxidation products have been identified, which allows us to estimate the atmospheric impact of these compounds.

Ce travail de thèse démontre une technique de détection capable de mesurer, avec une sensibilité à l'atome unique, l'espace des impulsions d'un gaz ultrafroid chargé dans un réseau optique 3D. Nous avons développé un détecteur basé sur des galettes de micro-canaux, capable de sonder électroniquement des nuages d'Hélium-4 métastable. Le gaz est détecté après un temps de vol de 325ms, suffisamment long pour atteindre l'expansion de champ lointain, où la distribution spatiale du gaz coïncide avec la distribution d'impulsion asymptotique. En se plac{c}ant dans un régime proche du remplissage unitaire du réseau, les effets de collisions entre atomes aux premiers instants de l'expansion deviennent négligeables, et donc la distribution d'impulsion asymptotique est égale à la distribution d'impulsion in situ. Nous démontrons expérimentalement cette égalité en comparant nos mesures en champ lointain avec la distribution d'impulsion calculée à partir de l'Hamiltonien de Bose-Hubbard, gr^ace à des simulations Monte Carlo Quantique. Nous observons un bon accord avec la théorie sur plus de 3 ordres de grandeur en densité. Ces simulations sont calculées à partir de nos paramètres expérimentaux, la température étant la seule variable ajustable. Nous utilisons ensuite cette comparaison pour réaliser une thermométrie précise du gaz sur réseau, permettant une exploration de la transition superfluide-gaz normal à travers la mesure directe de différentes quantités, comme la fraction condensée ou la fonction de corrélation à deux particules. / In this thesis, we report the demonstration of a detection technique able to probe, with a single-atom sensitivity, the momentum distribution of an ultracold gas loaded inside a 3D optical lattice. We have developed a micro-channel plate detector, able to electronically probe clouds of metastable Helium-4. The gas is detected after a time-of-flight of 325ms, long enough to reach the far-field expansion, where the spatial distribution of the cloud can be mapped to the asymptotic momentum distribution. By putting ourselves in a regime where the lattice filling is close to unity, the atomic collisions in the first instant of the expansion become negligible, so that the asymptotic momentum distribution is equal to the in situ momentum distribution. We experimentally demonstrate this equality, by comparing our far-field measurements with the momentum distribution calculated from the Bose-Hubbard Hamiltonian, thanks to ab initio quantum Monte Carlo simulations. We show a good agreement with the theory over more than 3 orders of magnitude in density. Those simulations are calculated with our experimental parameters, the temperature being the only adjustable variable. We then use this comparison to perform a precise thermometry of the lattice gas, allowing us to explore the superfluid-normal gas transition through a direct measurement of different quantities, like the condensed fraction or the two-particles correlation function.

Dans ce mémoire, nous présentons d'une part la réalisation expérimentale d'une mesure quantique non destructive (qnd) en optique et, d'autre part, la contribution apportée a des expériences futures de piège dipolaire optique et d'électrodynamique quantique en cavité en régime de couplage fort. L'objectif d'un dispositif de mesure qnd est de contrôler l'action en retour imposée par la mécanique quantique, qui se produit sur un système soumis a une mesure. Il est en effet possible de rejeter cette perturbation entièrement sur l'observable conjuguée de celle mesurée, laissant celle-ci inchangée. Dans le domaine de l'optique, il s'agit de l'amplitude et de la phase du champ electromagnetique. L'expérience réalisée utilise le couplage par effet kerr croise de deux faisceaux lasers dans un milieu non-lineaire. Ce milieu est compose d'un piège magneto-optique de rubidium place dans une cavité optique doublement résonnante. La structure a trois niveaux en lambda que nous avons retenue permet de coupler l'intensité du faisceau signal a la phase du faisceau mesure. Nous présentons également une comparaison entre les résultats expérimentaux obtenus et les prédictions théoriques d'un modèle d'atomes a trois niveaux. L'accord est très satisfaisant et cette expérience détient, a ce jour, le record mondial d'efficacité qnd. En dernier lieu, nous envisageons une nouvelle série d'expérience qui a pour but, dans un premier temps, de piéger des atomes grâce a la force dipolaire optique résultant d'un fort gradient d'intensité laser ; et, dans un second temps, d'observer des phénomènes spécifiques au régime d'électrodynamique quantique en cavité en régime de couplage fort. Les travaux préliminaires présentés ici, concerne la conception optique d'un objectif et d'une cavite de tres grande ouverture numérique, qui ont été montes, règles et caractérisés. La réalisation de ce système optique laisse présager des perspectives d'expériences originales et non réalisées a ce jour, dans le domaine des longueurs d'ondes optiques.

Cette thèse expose différentes expériences de spectroscopie dans des cellules de vapeur ultra minces d'épaisseurs comprises entre 30 et 1300 nm. Nous présentons la réponse optique en transmission et en réflexion de la transition D1 du Cs en fonction de l'épaisseur. Elle est transitoire car induite par le confinement des atomes entre les parois. L'interaction de van der Waals attractive entre atome et surface résolue avec la distance est observée et nous proposons un modèle théorique d'interaction avec deux parois utilisant les réflexions multiples du dipôle atomique fluctuant. Le niveau de Cs(6D3/2) est peuplé par différentes techniques à deux photons pour des épaisseurs inférieures à 100 nm. Nous présentons aussi une investigation du croisement des potentiels répulsif (de ce niveau résonnant avec la surface de saphir) et attractif (du niveau 6D5/2 non résonnant) pour une distance à la surface estimée à 5 nm.

Un cadre d’analyse des figures utilisées dans la vulgarisation de la connaissance scientifique est développé suivant la sémiotique de Charles S. Peirce et la méthode archéologique de Michel Foucault. Ce cadre est appliqué spécifiquement à l’analyse de figures de l’atome recensées systématiquement dans deux revues de science populaires. Des recommandations découlant de notre analyse sont faites. / An analytical framework for the study of images used in the popularization of scientific knowledge is developped from the semiotics of Charles S. Peirce and the archeological method of Michel Foucault. This framework is applied specifically to figures of the atom found in a systematic study of two popular science magazines. Recommendations emerging from our analysis are offered.