Ce travail est consacré à l’étude de la diffraction d’atomes rapides (d’énergie cinétiquede l’ordre du keV) en incidence rasante (angles d’incidence ~ 1°) le long ou proche d’unedirection principale d’une surface cristalline. Cette géométrie en incidence rasante permet de(i) récolter, en quelques secondes, la totalité du cliché de diffraction sur un détecteur sensible enposition ; (ii) préserver la cohérence de l’onde de matière en réduisant les sources de décohérencecomme l’excitation électronique et l’agitation thermique. La grande sensibilité des atomes àla forme de la densité électronique de surface (partie répulsive) et au puits attractif de Vander Waals révèle les résonances de Fano et démontre que l’atome voyage, piégé au-dessus de lasurface, de façon cohérente, sur une distance de 0.2μm. Il est également montré que la diffractiond’atomes rapides est une technique robuste pour suivre la dynamique de croissance de semiconducteurs(GaAs) par épitaxie (reconstructions, transitions de phase). Enfin, l’observationde la diffraction sur une feuille de graphène déposé sur 6H-SiC(0001) suggère l’utilisation desatomes rapides comme outil de diagnostic pour le suivi et la caractérisation en temps réel dela croissance du graphène dont les propriétés exceptionnelles dépendent beaucoup des défautsde surface. / This work was devoted to the study of fast atom diffraction (energies in the keV range)at grazing incidence angles (~ 1°) along or close to a low indexed direction of crystalline surfaces.This specific scattering geometry bears two advantages : (i) the diffraction pattern as a wholeis collected within seconds on a position sensitive detector ; (ii) the low energy associated to themotion normal to the surface quenches decoherence due to electronic excitations and stronglyreduces decoherence due to thermal vibrations. The high sensitivity of probe atoms to thesurface electron density (repulsive part) and to the Van der Waals attractive well reveals Fanoresonances where the trapped atoms preserve their coherence over distances as long as 0.2μm.As a complement to these fundamental studies, fast atom diffraction has been proved to be arobust mean to probe the dynamics of epitaxial growth of semiconductors (GaAs). Finally, workperformed on monolayer graphene grown on 6H-SiC(0001) suggest the possibility to use fastatoms to monitor graphene growth in real time, a key process to measure the level of alterationof the intrinsic graphene electronic structure.

Cette thèse décrit la réalisation d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder utilisant le lithium. Cet appareil est constitué de trois réseaux de diffraction formés d'ondes stationnaires laser, quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium. Le processus de diffraction utilise le régime de Bragg, pour lequel un seul ordre de diffraction est autorisé, et il s'agit d'une diffraction élastique qui conserve l'énergie cinétique de l'atome, modifie son impulsion, sans changement de son état interne. Grâce à une importante collimation du jet atomique qui sert de source, les deux chemins atomiques qui interfèrent sont spatialement séparés, ce qui permettra d'introduire une perturbation sur un seul des deux chemins atomiques. Les premières figures d'interférences obtenues avec cet appareil sont présentées dans cette thèse. Ces résultats permettent d'attendre une très grande sensibilité en phase de l'interféromètre car les franges enregistrées sont très contrastées et le flux moyen est assez élevé. On trouvera, dans la première partie de cette thèse, une introduction historique présentant les avancées faites dans le domaine de la manipulation des atomes par la lumière et plus particulièrement en interférométrie atomique. Après une discussion théorique des principes mis en jeu dans cet interféromètre, le montage expérimental est décrit en détail, avec une attention particulière portée au fonctionnement du détecteur. Ensuite, les résultats des premières expériences sont présentés et analysés. Enfin, trois mesures prévues avec cet appareil sont discutées : la mesure de l'indice de réfraction d'un gaz pour une onde atomique, celle de la polarisabilité électrique statique du lithium et un test de la neutralité des atomes de lithium.

Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.

Ce mémoire de thèse présente le développement d'un dispositif expérimental spécialement conçu pour l'étude de la diffraction d'atomes rapides et son utilisation pour suivre la croissance de couches minces sur un bâti d'épitaxie. Des études de surfaces de KBr(100) et de NaCl(100) avec ce nouveau dispositif sont présentées. Nous nous sommes intéressés notamment à la forme du potentiel que les atomes perçoivent lorsqu'ils diffusent sur une surface de KBr(100). Nous avons également mis en évidence lors de ces études un nouveau régime de diffraction qui semble correspondre à des mouvements longitudinaux et normaux cohérents. Grâce à des images mieux résolues, nous avons montré comment la diffraction d'atomes rapides permet d'observer et quantifier des défauts topologiques comme la mosaïcité. Une étude d'une surface d'Argent (110) est aussi présentée. Elle a permis d'observer la diffraction d'atomes rapides sur les métaux, montrant ainsi que GIFAD est applicable aux trois types de matériaux (isolants, semi-conducteurs et métaux) et que les processus d'excitations électroniques sur ces surfaces ne détruisent pas complètement la cohérence. Enfin des premiers résultats de GIFAD en tant que technique de suivi de croissance par épitaxie sont présentés dans ce travail.

Cette thèse expérimentale utilise un interféromètre atomique fonctionnant avec l'atome de lithium. Trois ondes laser stationnaires quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium à 671 nm diffractent l'onde atomique dans le régime de Bragg et réalisent des séparatrices et des miroirs dans la configuration géométrique de Mach-Zehnder. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés dans l'espace et ses performances permettent de réaliser des mesures interférométriques de précision. Cette thèse présente les résultats de deux expériences réalisées entre 2007 et 2011. La première expérience a mesuré l'interaction entre l'atome de lithium et la surface des barres d'un réseau de dimensions nanométriques (pas de 100 nm) lorsque celui-ci intercepte un des deux bras. L'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre 0 a été mesurée pour une large gamme de vitesses atomiques s'étendant de 750 à 3300 m/s. Les résultats ont permis de caractériser l'interaction atome-surface de Van der Waals. La deuxième expérience a réalisé la première détection de l'effet prédit par He, McKellar et Wilkens en 1993-1994 pour un dipôle électrique en interaction avec un champ magnétique. C'est une phase géométrique similaire à l'effet prédit par Aharonov et Bohm en 1959. Le déphasage prévu est de l'ordre de 10 mrad, ce qui est comparable à de nombreux effets parasites qu'il a fallu caractériser avec soin. Les mesures sont en bon accord avec les prédictions théoriques.

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.

Ce travail porte sur l'interaction dipolaire d'atomes neutres avec un rayonnement électromagnétique structuré sur une échelle plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Ces champs optiques sont obtenus par interaction d'une onde évanescente de Fresnel avec des nanostructures diélectriques à haut indice de réfraction déposées à la surface d'un prisme. Deux thèmes sont abordés. Le premier concerne l'étude, d'un point de vue théorique, d'une expérience de diffraction d'atomes neutres par un miroir atomique nanostructuré. La modulation du potentiel provient de l'interaction de l'onde évanescente avec un réseau matériel périodique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, les spécificités de cette méthode de diffraction sont dégagées par un calcul analytique reposant sur plusieurs approximations concernant la structure du champ optique et la structure interne atomique. Elle est ensuite complétée d'une étude numérique qui permet de prendre en compte toute la complexité du problème. Le deuxième thème est une étude du comportement en champ proche de cavités résonantes constituées d'ensembles d'anneaux diélectriques couplés. Ces nanostructures, adressées par un faisceau gaussien évanescent, amplifient à la résonance l'intensité et le gradient du champ électrique d'un facteur de plusieurs centaines. L'objectif est de trouver une configuration permettant la concentration ou la focalisation transversale d'un faisceau d'atomes en vue d'applications en nanolithographie. Cette étude est effectuée en couplant une méthode ab-initio permettant un calcul précis du champ rayonné dans tout l'espace à un modèle analytique simplifié décrivant le comportement modal de ces structures en fonction de leurs caractéristiques géométriques.

Ce manuscrit regroupe les résultats obtenus sur deux expériences d'optique atomique. La première partie du mémoire est consacrée à l'étude de la rugosité d'un miroir atomique. Le potentiel lumineux d'une onde évanescente à la surface d'un prisme est utilisé pour réfléchir les atomes tombant d'un piège magnéto-optique. Nous présentons une méthode de mesure interférométrique du maintien de la cohérence de l'onde atomique incidente lors de sa réflexion sur le miroir. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse à une expérience de puce atomique. Le champ magnétique rayonné par les fils microfabriqués qui constituent la puce nous permet de piéger et de manipuler des atomes froids. Nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein dans le piège créé par la puce. Ce piège s'avère être rugueux, nous mesurons et déterminons l'origine de cette rugosité. Enfin nous envisageons la réalisation d'éléments d'optique atomique intégrée, tel qu'un interféromètre, sur une puce atomique.

Ce mémoire présente deux expériences réalisées à l'aide d'un miroir à atomes à onde évanescente. Le miroir utilise la force dipolaire due à l'interaction entre les atomes et une onde évanescente créée par réflexion totale interne d'un faisceau laser à l'intérieur d'un prisme. Ces deux expériences montrent que, lors de leur réflexion, les atomes constituent une sonde des champs proches de la surface du prisme. La première expérience a permis la mesure de la force de van der Waals entre un atome de rubidium dans l'état fondamental et une paroi diélectrique. Lors de la réflexion, les atomes s'approchent très près de la surface du diélectrique (~ 50 nm) et sont donc sensibles à la force attractive de van der Waals due à la présence de la paroi. L'expérience consiste à mesurer la force dipolaire nécessaire pour équilibrer la force de van der Waals. Elle montre également le rôle crucial de la force de van der Waals dans le fonctionnement du miroir à atomes, d'une part, la réduction d'un facteur trois de l'efficacité du miroir et d'autre part, la modification de la forme du potentiel réflecteur total. La seconde expérience décrit la diffraction d'atomes en incidence normale sur un miroir modulé spatialement, créé à l'aide d'une onde évanescente partiellement stationnaire. Ce processus de diffraction est lié à la modulation de phase de l'onde de de Broglie lors de la réflexion et apparaît pour une modulation très faible du potentiel. Elle est similaire à la diffraction de Raman-Nath en optique traditionnelle. L'étude des populations dans les différents ordres de diffraction en fonction de la profondeur de modulation confirme quantitativement ce processus scalaire de diffraction.

La première partie décrit trois expériences réalisées avec l'interféromètre atomique à jet de lithium supersonique développé à Toulouse. La seconde partie présente le nouvel interféromètre atomique à condensats de Bose-Einstein (CBE) développé dans le but de tester la neutralité de la matière. Les trois premières expériences exploitent l'interaction entre un atome de lithium et différents champs électromagnétiques. Une différence de potentiel électrique dépendant du temps a servi à moduler la phase des deux bras de notre interféromètre à des fréquences différentes, ce qui a permis une détection homodyne et hétérodyne d'ondes de matière. Une phase géométrique de la lumière (la phase de Pancharatnam) a été transférée à notre signal interférométrique par les réseaux de diffraction de Bragg ce qui a ajouté un nouvel outil à la panoplie permettant le contrôle d'ondes de matières. Enfin, un faisceau laser focalisé sur un seul des deux bras nous a permis de mesurer avec exactitude une des longueurs d'onde d'extinction du lithium (correspondant à une valeur de polarisabilité dynamique nulle). L'objectif du nouvel interféromètre à CBE est de réaliser une nouvelle mesure de la charge électrique résiduelle de la matière et en particulier des isotopes du rubidium 85Rb et 87Rb. Cette mesure nous permettra de connaître avec une plus grande sensibilité la différence de charge entre le proton et l'électron ainsi que la charge du neutron. Le principe de cette mesure repose sur une séparation spatiale importante entre les deux bras d'un interféromètre en fontaine ainsi que sur un temps de cycle de 5 s. Ces caractéristiques ont nécessité un travail de conception à la fois au niveau de la source (une puce à atome) et au niveau du phénomène de diffraction (séparation en impulsion importante) qui sera exposé dans un premier temps. Dans un second temps, les choix techniques en matière de chambre à vide, système laser et sources de champs magnétiques seront décrits et caractérisés. Enfin, les performances actuelles de cette source d'atomes froids seront présentées et comparées à nos attentes. / This thesis's first part describes the realization of three experiments using an atom interferometer operated with a lithium supersonic beam. The second part presents the development of a new BEC interferometer designed to test matter neutrality. The first three experiments rely on the interactions of lithium atom with different electromagnetic fields. A time dependent electric potential difference was used to produce phase modulation of both interferometer arms at different frequencies, leading to homodyne and heterodyne detection of atom waves. A geometric phase of light (the Pancharatnam phase) was successfully transferred to our interferometer signal during Bragg diffraction, enlarging the atom optics toolbox for phase control in an atom interferometer. Finally, a focused laser beam was used to measure accurately the value of one lithium tune-out wavelength (for which its dynamic polarizability is zero). The new BEC interferometer was designed to measure a possible non-zero electric charge of rubidium isotopes 85Rb and 87Rb with enhanced sensitivity to the electron-proton charge difference and neutron neutrality. This setup relies on a large spatial separation between the two interferometer arms in a fountain configuration aiming at a cycle time of 5s. These features required particular design work both on the atomic source (atom-chip) and the diffraction process (Large Momentum Transfer). The technical choices on the vacuum chambers, laser system and magnetic sources are described and characterized. Finally, the up-to-date cold-atom source performances is shown and compared to our expectations.