Ultra-cold dilute gases of neutral atoms are attractive candidates for creating controlled mesoscopic quantum systems. In particular, quantum degenerate gases of bosonic and fermionic atoms can be used to model the correlated many-body behaviour of Bose and Fermi condensed matter systems, and to study matter wave interference and coherence. This thesis describes the experimental realization and manipulation of Bose-Einstein condensates (BECs) of 87Rb and degenerate Fermi gases (DFGs) of 40K using static and dynamic magnetic atom chip traps. Atom chips are versatile modern tools used to manipulate atomic gases. The chips consist of micrometre-scale conductors supported by a planar insulating substrate, and can be used to create confining potentials for neutral atoms tens or hundreds of micrometres from the chip surface. We demonstrate for the first time that a DFG can be produced via sympathetic cooling with a BEC using a simple single-vacuum-chamber apparatus. The large 40K-87Rb collision rate afforded by the strongly confining atom chip potential permits rapid cooling of 40K to quantum degeneracy via sympathetic cooling with 87Rb. By studying 40K-87Rb cross-thermalization as a function of temperature, we observe the Ramsauer-Townsend reduction in the 40K-87Rb elastic scattering cross-section. We achieve DFG temperatures as low as T = 0.1TF , and observe Fermi pressure in the time-of-flight expansion of the gas. This thesis also describes the radio-frequency (RF) manipulation of trapped atoms to create dressed state double-well potentials for BEC and DFG.We demonstrate for the first time that RF-dressed potentials are species-selective, permitting the formation of simultaneous 87Rb double-well and 40K single-well potentials using a 40K-87Rb mixture. We also develop tools to measure fluctuations of the relative atom number and relative phase of a dynamically split 87Rb BEC. In particular, we observe atom number fluctuations at the shot-noise level using time-of-flight absorption imaging. These measurement tools lay the foundation for future investigations of number squeezing and matter wave coherence in BEC and DFG systems.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie forment un sujet d'astroparticules très actif car nos connaissances dans ce domaine sont encore loin d'être complètes. Par exemple, ni la nature ni les sources de ces particules ne sont clairement identi- fiées. Le seul fait expérimental bien établi à ce jour est l'existence d'une coupure dans le flux en énergie, autour de 4 × 1019 eV, en bon accord avec la coupure prédite par Greisen-Zatsepin-Kuzmin, comme conséquence de l'interaction des rayons cosmiques avec le rayonnement de fond cosmologique, aux énergies les plus hautes. Concernant les sources, seule une statistique accrue peut éventuellement résoudre l'énigme et il faudra probablement attendre une prochaine génération d'expériences, proposant une surface de collection encore plus grande que celles actuellement en cours d'acquisition, comme l'Observatoire Pierre Auger ou Telescope Array. Avant d'augmenter la statis- tique, une bonne connaissance à la fois de l'énergie du rayon cosmique et de sa nature aidera à comprendre les mécanismes opérant à leurs sources. Concernant l'identification de la nature du rayon cosmique, des améliorations des détecteurs actuels sont en cours ou envisagées. Elles devraient permettre de mesurer certaines composantes spécifiques des gerbes atmosphériques comme par exemple la contribution électromagnétique, via le champ électrique émis par les électrons et positrons secondaires. Je présente dans cette HDR une revue des résultats actuels concernant le thème des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Après avoir présenté quelques résultats sur le mécanisme de Fermi pour accélérer les rayons cosmiques, j'aborde en particulier la re- construction des gerbes atmosphériques détectées par le réseau de surface de l'Observa- toire Pierre Auger ainsi que la recherche des sources, basée sur la connaissance fine de la couverture du ciel, impliquant une maîtrise des performances du détecteur. Je traite également en détails le signal radio émis par les électrons et positrons secondaires des gerbes, dans le domaine du MHz. Ce signal est étudié depuis le milieu des années 1960 mais la technologie n'en permet une exploitation complète que depuis les années 2000. Je propose un état des lieux de nos connaissances à travers les résultats des expériences actuelles 1 dans ce domaine. Les données montrent que le champ électrique est princi- palement dû à l'influence du champ magnétique terrestre agissant sur les électrons et positrons mais plus récemment, la contribution due à l'excès l'électrons semble appa- raître dans les données. Enfin, je présente nos dernières avancées dans le domaine de la simulation du champ électrique, avec notamment la prédiction d'un signal nouveau, produit par la disparition de la gerbe atmosphérique lors de son absorption dans le sol.

Ultra-cold dilute gases of neutral atoms are attractive candidates for creating controlled mesoscopic quantum systems. In particular, quantum degenerate gases of bosonic and fermionic atoms can be used to model the correlated many-body behaviour of Bose and Fermi condensed matter systems, and to study matter wave interference and coherence. This thesis describes the experimental realization and manipulation of Bose-Einstein condensates (BECs) of 87Rb and degenerate Fermi gases (DFGs) of 40K using static and dynamic magnetic atom chip traps. Atom chips are versatile modern tools used to manipulate atomic gases. The chips consist of micrometre-scale conductors supported by a planar insulating substrate, and can be used to create confining potentials for neutral atoms tens or hundreds of micrometres from the chip surface. We demonstrate for the first time that a DFG can be produced via sympathetic cooling with a BEC using a simple single-vacuum-chamber apparatus. The large 40K-87Rb collision rate afforded by the strongly confining atom chip potential permits rapid cooling of 40K to quantum degeneracy via sympathetic cooling with 87Rb. By studying 40K-87Rb cross-thermalization as a function of temperature, we observe the Ramsauer-Townsend reduction in the 40K-87Rb elastic scattering cross-section. We achieve DFG temperatures as low as T = 0.1TF , and observe Fermi pressure in the time-of-flight expansion of the gas. This thesis also describes the radio-frequency (RF) manipulation of trapped atoms to create dressed state double-well potentials for BEC and DFG.We demonstrate for the first time that RF-dressed potentials are species-selective, permitting the formation of simultaneous 87Rb double-well and 40K single-well potentials using a 40K-87Rb mixture. We also develop tools to measure fluctuations of the relative atom number and relative phase of a dynamically split 87Rb BEC. In particular, we observe atom number fluctuations at the shot-noise level using time-of-flight absorption imaging. These measurement tools lay the foundation for future investigations of number squeezing and matter wave coherence in BEC and DFG systems.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

Nous étudions la densité de niveaux du problème à N-corps (rho_MB) pour des gaz de fermions et de bosons en fonction de la température et du nombre de particules. Nous avons discuté des termes correctifs dus aux effets de nombre fini de particules : alors que le cas des bosons est très riche, il semble qu'un seul comportement apparaisse pour des fermions. Une expression semiclassique de rho_MB pour deux types de particules avec un moment angulaire a été proposé. Celle-ci se compose d'une partie lisse provenant de la méthode du point de col avec des termes correctifs dus au développement de l'expression exacte du nombre de partition pour deux types de particules, et d'une partie oscillante issue des fluctuations de la densité de niveaux à une particule. Une étude numérique pour valider notre modèle a été menée. Dans le cas du noyau atomique, la partie oscillante de rho_MB est contrôlée par un facteur de température qui dépend de la dynamique du système (chaotique ou intégrable) et de la partie oscillante de l'énergie du fondamental. Nous donnons alors l'expression générale de la valeur moyenne de l'énergie pour des potentiels fixes. Le cas auto-cohérent est abordé via l'oscillateur harmonique à trois dimensions (HO3D). L'homologue bosonique de la partie oscillante de rho_MB à basse température a été discuté pour des billards et pour le HO3D isotrope. Dans ce cas il n'y a plus d'oscillation, mais une correction en loi d'échelle. Dans le cas de HO3D isotrope, ces corrections sont de l'ordre de la partie lisse. Dans la limite haute température, nous montrons que la partie oscillante de rho_MB est exponentiellement négligeable comparée au terme lisse.

No description available.

No description available.

Cette thèse développe une théorie effective de liquide de Fermi pour décrire la dynamique électronique dans un circuit RC quantique dans des régimes de forte interaction. Ce dispositif est composé d'une boîte quantique connectée à un réservoir d'électrons par un point de contact quantique. La boîte quantique est aussi couplée capacitivement à une grille métallique. Ce dispositif n'admet pas de courant continu, mais seulement un courant alternatif. Son comportement est analogue à celui d'un circuit RC classique et ne respecte pas les lois de Kirchhoff si le transport est cohérent. La résistance de relaxation de charge est universellement fixée à R_q = h/2e^2 , sans dépendre de l'ouverture du point de contact quantique, différement de ce qui est observé en transport direct. Nous étudions des régimes de blocage de Coulomb, provoqués par les fortes interactions électroniques. Nous démontrons que la dynamique électronique est sans interactions de façon effective à basse énergie. Nous prouvons la validité d'une formule de Korringa-Shiba généralisée, prédisant l'universalité de R_q même en présence de fortes interactions. Nous étudions aussi les comportements non universels de R q causés par la présence d'un champ magnétique. Une attention particulière est dédiée à la physique Kondo. Nous démontrons l'existence d'un pic géant pour R q , correspondant à la destruction du singulet Kondo. Notre approche est étendue à des dispositifs de symétrie SU(4), respectée par des boîtes quantiques avec dégénérescence orbitale. En appliquant les méthodes analytiques ici dévéloppées, nous dérivons l'expression exacte de la température Kondo dans le cas avec symétrie SU(4).

Le LAT est l'instrument principal du satellite Fermi et permet d'étudier le ciel en rayons gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité accrue a permis l'augmentation du nombre de sources détectées dans le domaine des hautes énergies. Une partie importante de celles-ci n'a pas de contrepartie connue et une étude multi-longueur d'onde est nécessaire afin de comprendre l'origine du signal observé. Dans un premier temps, cette thèse présente l'étude morphologique et spectrale détaillée de la source non-identifiée HESS J1745--303, qui a été découverte dans le domaine gamma par l'expérience H.E.S.S. en 2006 puis analysée spécifiquement dans un article de 2008, à l'aide des données du LAT. Deux sources ponctuelles situées à une localisation proche de HESS J1745--303 sont présentes dans le catalogue à deux ans de données de Fermi (2FGL) mais une analyse dédiée de cette région est néanmoins nécessaire vu sa complexité. Elle est en effet localisée à ~1° du Centre Galactique et à moins de 0.5° du pulsar de la Souris, les deux sources les plus brillantes en gamma dans cette région. Les différents processus d'émission de photons sont présentés dans un second temps. Leurs simulations permettent d'effectuer une étude approfondie de l'origine de l'émission détectée aux hautes et très hautes énergies par le LAT et par H.E.S.S. L'émission de cette source reste en effet encore énigmatique de nos jours et une étude multi-longueur d'onde est effectuée afin de contraindre les modèles d'émission.

Cette thèse présente deux expériences sur des gaz ultrafroids d'hélium métastable qui constituent l'extension, à des ondes de matière, d'expériences fondamentales en optique quantique. Le succès de ces expériences repose sur l'utilisation d'un détecteur d'atomes uniques capable de reconstruire la position des atomes en trois dimensions. Dans la première expérience nous avons comparé, sur le même dispositif expérimental, la fonction de corrélation à deux corps des atomes appartenant à un nuage froid de fermions identiques à celle d'un nuage froid de bosons identiques à la même température. Comme bosons et fermions suivent deux statistiques quantiques différentes, les deux fonctions de corrélation sont différentes : les bosons ont tendance à arriver groupés sur le détecteur, alors que les fermions ont tendance à arriver dégroupés, à cause du principe d'exclusion de Pauli. Dans la deuxième expérience nous avons étudié la corrélation entre paires d'atomes bosoniques générées dans la collision de deux condensats de Bose-Einstein. La mesure de la fonction de corrélation nous a permis de démontrer que les atomes d'impulsion opposée, dans le référentiel du centre de masse, sont corrélés par paires. De plus l'observation d'une corrélation de type Hanbury Brown Twiss entre paires d'atomes diffusés dans la même direction démontre que notre système ne peut pas être interprété en termes de mécanique classique, mais que la statistique bosonique y joue un rôle important. Une nouvelle génération de cette expérience permettra de mesurer la dépendance angulaire de la population des modes atomiques diffuses et d'étudier le squeezing de la différence de population entre modes opposés.