Après avoir calculé les états liés d'électrons et de trous dans une boîte quantique auto-organisée InAs/GaAs isolée, nous présentons certaines caractéristiques des propriétés optiques de ces nanostructures.<br /><br />Dans une premièm partie, nous étudions le rôle joué par l'environnement électrostatique sur la perte de cohérence dans les boîtes. Nous montrons que les fluctuations électrostatiques sont essentiellement de deux types, engendrant soit un décalage en énergie de la transition sans induire de déphasage, soit un élargissement homogène du type rétrécissement par le mouvement.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'effet de l'interaction d'échange longue portée sur la structure fine de l'exciton confiné dans la boîte. En particulier, nous montrons la possibilité d'annuler le splitting d'échange résultant de l'anisotropie de forme de la boîte en appliquant un champ électrique le long de son grand axe. Nous montrons enfin qu'une anisotropie de polarisation apparaît à cause de la nature même de l'interaction d'échange.

Cette thèse est consacrée à la spectroscopie de l'éthylène en vue de l'étude de cette molécule piégée dans des zéolithes. La première partie expose le modèle tensoriel adapté à la symétrie de la molécule isolée : formalisme, hamiltonien et moments de transition. Afin de prendre en compte les champs électriques intenses présents dans les zéolithes, nous proposons dans la deuxième partie une extension du modèle à l'effet Stark. La troisième partie décrit les programmes du logiciel D2hTDS qui ont été construits pour calculer et analyser les spectres des molécules de type X2Y4. La quatrième partie présente les applications au calcul et à l'analyse de spectres de l'éthylène à champ nul et sous effet Stark. En particulier, le modèle a été testé sur l'analyse à champ nul de l'état de base et des bandes nu2 et nu12. Un calcul à champ faible de la bande nu7 et une simulation à champ fort de la bande nu12 ont été effectués, ainsi qu'une étude d'alignement de la molécule en fonction du champ.

Ce rapport d'habilitation présente une synthèse de mes travaux de recherche réalisés au cours de ces 14 dernières années. J'ai distingué mes activités expérimentales (partie III), mes travaux théoriques concernant la spectroscopie des toupies quasi-sphériques (partie IV), ainsi que ceux concernant la spectroscopie de molécules piégées dans des solides (partie V).

Les travaux de recherche exposés dans cette habilitation sont essentiellement basés sur l'étude mathématique d'un système physique électromagnétique, le fil directeur étant le phénomène de Aharonov-Bohm. On commence par faire l'analyse semiclassique du propagateur (ou noyau intégral du groupe unitaire du système) à temps petit. Cette étude permet de faire apparaître l'effet Aharonov-Bohm comme une perturbation de phase du propagateur, due à la circulation du potentiel magnétique le long d'orbites classiques situées en dehors du champ magnétique. Nous passons ensuite à l'étude de la diffusion quantique d'un système électromagnétique. Dans ce cas-là, la situation est totalement différente du cas potentiel électrostatique seul : un champ magnétique même a support compact peut engendrer un potentiel magnétique ne dépassant la décroissance coulombienne, et donc a priori à longue portée. Nous démontrons l'existence et la complétude des opérateurs d'ondes (déjà obtenues par Loss et Thaller) à l'aide d'une méthode stationnaire. Cette nouvelle approche permet l'étude des matrices de diffusion grâce à une formule de représentation adaptée. Nous verrons que le spectre essentiel des matrices de diffusion peut recouvrir le cercle unité, comme l'ont démontré Roux et Yafaev. Cette situation est complètement nouvelle : dans le cas d'une perturbation électrostatique a courte portée, la matrice de diffusion est une perturbation compacte de l'identité. Nous ferons ensuite l'étude du problème de diffusion inverse à l'aide d'une approche stationnaire. Il s'agit d'une méthode nouvelle, simple et robuste, proche d'une idée due à Isozaki et Kitada. L'idée est d'introduire dans la définition des opérateurs d'onde un modificateur, type opérateur Fourier intégral, qui permet d'obtenir très facilement l'asymptotique à haute énergie de l'opérateur de diffusion. Notons que cette approche permet également de traiter le cas longue portée. Nous généralisons ainsi les résultats obtenus par Enss et Weder dans le cas d'opérateur de Schrödinger avec potentiel électrostatique seul, à l'aide d'une méthode dépendant du temps. Le problème de diffusion directe et inverse dans le cas d'opérateurs de Schrödinger avec obstacle convexe est étudié dans le but de modéliser le phénomène de Aharonov-Bohm. En dimension supérieure à 3, l'opérateur de diffusion caractérise le potentiel électrique et le champ magnétique. En dimension 2, par contre, nous donnons une condition nécessaire d'obstruction liée à une quantification du flux magnétique. Nous étudions ensuite un problème de diffusion inverse dans le cas où l'opérateur de diffusion est localisé près d'une énergie fixée. Nous montrons que l'approche stationnaire déjà utilisée est tout a fait appropriée pour traiter ce problème (et même le cas longue portée) en effectuant un changement d'échelle et en utilisant des paquets d'onde soigneusement choisis. Nous retrouvons ainsi l'asymptotique complète du potentiel électrostatique a l'infini. Ces résultats sont proches de ceux obtenus par Joshi et Sa Barreto utilisant des techniques assez sophistiquées à la Melrose-Zworski, d'opérateur Fourier intégraux et de distributions Lagrangiennes. Nous étudions également un problème de diffusion inverse pour des Hamiltoniens avec un champ électrique constant (effet Stark) et un potentiel à courte portée générique. Nous montrons qu'en dimension supérieure ou égale à trois, l'opérateur de diffusion caractérise le potentiel. Ce résultat est obtenu à l'aide de la méthode dépendant du temps de Enss-Weder et généralise un théorème dû a Weder qui supposait une décroissance plus forte du potentiel électrostatique. Enfin, nous étudions un problème de diffusion inverse pour un Hamiltonien libre avec potentiel répulsif. Nous montrons que sous des hypothèses convenables de décroissance du potentiel électrostatique, la perturbation est uniquement déterminée par l'asymptotique à haute énergie de l'opérateur de diffusion.

Après avoir présenté les méthodes utilisées pour le calcul des états électroniques, nous discutons les états liés d'électrons et de trous dans une boite isolée. Nous calculons la force d'oscillateur et les régles de sélection pour les transitions intrabandes. Nous montrons qu'il faut distinguer entre les excitations polarisées dans le plan et celles polarisées verticalement; notre calcul montre que dans une boite isolée l'absorption est très anistrope. Dans le cadre des boites isolées nous développons également un modèle pour interpréter plusieurs experiences récentes de STM, qui prétendent l'observation directe des fonctions d'onde d'électrons et de trous. Nous étudions ensuite les systèmes de boites empilées. Nous discutons le couplage entre les boites en fonction de l'epaisseur de la barriere qui les separe. Nous nous interessons en particulier au regime de boites fortement couplees. Nous montrons que l'anisotropie typique des boites uniques diminue considerablement dans le cas des systemes de boites fortement couplees. Ces derniers sont particulierement interessants si l'on regarde les effets du champ electrique. Nous montrons ainsi que les systemes de boites fortement couplees sont aussi polarisables que les puits quantiques, avec une proprite en plus: le confinement dans le plan. La derniere partie de ce travail presente une discussion detaille des etats du continuum bidimensionnel (couche de mouillage) et tridimensionnel (barriere). Le role du continuum est particulirement important dans le cas des transitions interbandes: nous montrons que les transitions croisees entre etats lies et etats du continuum sont a l'origine d'un fond continu entre la partie basse energie du spectre (due aux transitions liees) et le seuil de la couche de mouillage. Cet effet, observe exprimentalement, montre de facon claire que le modele ``atome artificiel'' est trop simple pour decrire de facon adequate les propriets des boites quantiques.

Nous avons modélisé les propriétés structurales et électroniques d'hétérostructures de nanofils de nitrures GaN/AlN à l'aide de méthodes de simulation atomistiques. Nous avons tout d'abord construit un champ de forces " à la Keating "' pour les matériaux wurtzite afin de calculer les positions atomiques et la distribution des contraintes dans ces hétérostructures. Grâce à ce modèle, nous avons pu suggérer la présence ou confirmer l'absence de dislocations dans différentes hétérostructures de nanofils GaN/AlN caractérisées expérimentalement par microscopie électronique et diffraction de rayons X. Nous avons ensuite étudié les propriétés électroniques et optiques de ces nanostructures avec la méthode des liaisons fortes. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'effet des champs électriques internes sur les nanofils GaN/AlN. Les expériences de spectroscopie optique ont en effet mis en évidence un important décalage vers le rouge (effet Stark confiné) des raies de luminescence de ces fils, consécutif à la séparation des électrons et des trous par les champs pyro- et piezoélectriques. Ce décalage est toutefois inférieur à celui mesuré sur des puits et des boîtes de dimensions équivalentes. Pour l'expliquer, nous avons montré qu'il était essentiel de tenir compte de l'écrantage du champ électrique par les charges déplacées par celui-ci, et en particulier depuis les états de surface des nanofils. Nous avons notamment proposé un modèle analytique simple pour comprendre les tendances et aider la conception des hétérostructures de nanofils de nitrures.

Le défi proposé était d'obtenir une mesure en direct du voltage présent sur une membrane bactérienne. D'abord, nous avons construit et inséré dans nos cellules E. coli un plasmide contenant le canal ionique dépendant du voltage NaChBac (Bacillus halodurans). ha, mesure d'une discontinuité dans le courant (au voltage bien documenté correspondant à l'ouverture du canal) devait permettre de calibrer la tension appliquée. Malheureusement, la présence de courants de fuite a masqué ce signal. Parallèlement, nous avons marqué la membrane avec l'ANNINE-6plus, une sonde fluorescente potentiométrique soluble dans l'eau à large décalage Stark. La fluorescence mesurée variait de ~1,5 % pour un changement de 150 mV sur la membrane. À notre connaissance, il s'agit des premières mesures optiques en temps réel du voltage sur une membrane bactérienne, bien qu'il faille en améliorer le signal et la robustesse.

Cette thèse porte sur l’étude de l’émissivité et de l’opacité dans les plasmas de fusion inertielle (FCI), et des processus atomiques dans les plasmas de fusion magnétique (FCM).En FCI, nous avons étudié les spectres d’émissivité du hohlraum de l’approche indirecte et d’opacité des dopants de l’ablateur. Leur connaissance permet d’améliorer la compression de la cible de D-T et ainsi favoriser les réactions de fusion. Nous avons caractérisé les spectres lié-lié de l’or, du carbone et du germanium au moyen de méthodes détaillées (code PPP) mais qui s’avèrent coûteuses en temps de calculs et limitées quand le nombre de niveaux/ions augmente. Pour optimiser le temps de calcul sans perdre en précision, une méthode hybride détaillée/statistique (code SCO-RCG) a fait l’objet de comparaison/validation avec le code PPP sur des cas tests. Cette approche a ensuite été appliquée au calcul de l’opacité totale (lié-lié, lié-libre, libre-libre) pour tous les états d’ionisation du germanium et du silicium. Les spectres obtenus sont ensuite comparés dans une large gamme d’énergies en vue d’optimiser la compression de la cible.En FCM, à partir d’expériences effectuées sur les tokamaks Tore Supra (CEA Cadarache) et ASDEX Upgrade (Max Planck Institut, Garching), nous nous proposons de développer une nouvelle base de données de physique atomique (sections efficaces, taux des processus,…) à l’aide du code HULLAC pour analyser des coefficients de transport. Le but de cette étude est la sensibilité aux données atomiques de la reconstruction des coefficients de transport par le code ITC. Pour le cas de l’argon, les sections efficaces de quelques processus sont présentées et les coefficients de taux sont comparés à ceux provenant du consortium ADAS. / The thesis is devoted on the study of emissivity and opacity in inertial confinement fusion plasmas (ICF), and on atomic processes in magnetic fusion plasmas (MCF).In ICF, we have studied the emissivity of the hohlraum and the opacity of ablator’s dopants in the indirect drive scheme. The knowledge of these quantities allows the improvement of the target compression and, as a consequence, the fusion reactions. We have characterized the bound-bound spectrum of gold, carbon and germanium with detailed line calculation (PPP code). Such calculations are time consuming and thus restricted to small numbers of levels/ions. To optimize the time calculation without lack of precision, a hybrid approach statistical/detailed (SCO-RCG code) was compared with the PPP code for test cases. Then the hybrid approach was applied to total opacity calculations (bound-bound, bound-free and free-free transitions) for each ionization state of germanium and silicon. The spectra are compared in a large temperature range in order to optimize the target compression.In MCF, from experiences carried out on Tore Supra (CEA Cadarache) and ASDEX Upgrade (Max Planck Institut, Garching) tokomak, we have provided new atomic data (cross sections, rates of processes) with the HULLAC code in order to analyze the transport coefficients. The aim of this study is the sensitivity of atomic data on the reconstruction of transport coefficients by the ITC code. For the argon case, the cross sections of some processes are presented and the rate coefficients are compared to those of ADAS consortium.

Ce travail a été réalisé dans le but de sonder des surfaces solides en utilisant la technique « LIPS » (Spectroscopie de plasmas induits par laser). Le comportement de ce type de plasmas est difficile à simuler étant donné la petitesse des échelles de temps et d'espace considérées. En plus du diagnostic classique de spectroscopie d'émission, nous avons mis en oeuvre une expérience originale d'absorption qui produit des valeurs fiables et de nombreuses informations sur la température et les densités constitutives du plasma. Cette étude, qui couple expérience et théorie dans le cadre de la résolution de l'équation de transfert radiatif, est basée sur la comparaison entre des spectres calculés et expérimentaux des raies à 308.21 et 396.15 nm de l'aluminium. Une attention spéciale a été portée à l'écriture de l'élargissement électronique et ionique par effet Stark et aux effets d'auto-absorption. Un écart important à l'équilibre a été mis en évidence tout au long de la relaxation du plasma. La mesure de la densité de l'état fondamental de l'aluminium, qui est de première importance pour valider un code collisionnel - radiatif consacré à cette situation complexe, a été menée à bien dans une large gamme de pression (5 à 1E5 Pa). La mesure des constantes de temps de relaxation met en évidence le rôle majeur joué par la diffusion dans la relaxation des espèces du plasma.

L'objet de cette thèse est la construction d'un laser étalon à 778 nm pour réaliser une mesure absolue des fréquences 2S-8S/D des atomes d'hydrogène et de deutérium. Cet étalon de fréquence est une diode laser stabilisée en fréquence sur une transition à deux photons 5S-5D de l'atome de rubidium. Les performances métrologiques de ce laser étalon sont 10 fois meilleures que celles du laser He-Ne stabilisé sur l'iode. La fréquence de ce laser a été mesurée au cours de cette thèse grâce à une chaîne de multiplication de fréquence située à l'Observatoire de Paris. L'étude des caractéristiques métrologiques de la fibre optique reliant nos laboratoires a montré que le passage du faisceau du laser étalon dans celle-ci ne détériorait pas ses propriétés métrologiques. Les transitions 2S-8S/8D sont excitées dans un jet atomique par un laser titane-saphir. Plusieurs effets parasites déplacent et élargissent les raies étudiées. Pour s'affranchir de ces effets, une forme de raie théorique est ajustée sur les signaux expérimentaux. Elle tient compte en particulier de l'effet Stark linéaire sur les niveaux excités. La comparaison en fréquence du laser d'excitation et du laser étalon donne la fréquence absolue de la raie étudiée. On en déduit la valeur de la constante de Rydberg : R8 = 109 737,315 6859 (10) cm-1 Ce résultat est le plus précis à ce jour. En comparant les mesures du deutérium à celles de l'hydrogène, on détermine la valeur du déplacement de Lamb de l'état 2S du deutérium : L2S-2P = 1059,230 (9) MHz Cette mesure améliore l'incertitude sur cette valeur de plus d'un ordre de grandeur ; elle est en bon accord avec la dernière mesure de cette quantité. L'incertitude sur ces résultats approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie.