Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d'atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d'un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d'optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l'accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d'instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d'un gaz dégénéré d'hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d'un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d'accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l'on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l'utilisation des paires d'atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d'optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l'effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.

Les atomes neutres sont des candidats prometteurs pour la réalisation et l'étude d'états intriqués à quelques dizaines de particules. Pour générer de tels états, une approche consiste à utiliser le mécanisme de blocage dipolaire résultant des fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg.Suivant cette approche, cette thèse présente la conception et la caractérisation d'un dispositif expérimental permettant de manipuler des atomes de 87Rb individuels piégés dans des pinces op- tiques microscopiques, et à les exciter vers des états de Rydberg. Un environnement électrostatique stable et des électrodes de contrôle permettent une manipulation fine de ces états. Avec deux pinces optiques séparées de quelques microns, nous démontrons le blocage de Rydberg entre deux atomes, et nous observons leur excitation collective.Enfin, en opérant en régime de blocage partiel, nous développons une méthode permettant de mesurer l'interaction de van der Waals ∆E = C6 /R6 entre deux atomes séparés par une distance R contrôlée. Les coefficients C6 obtenus pour différents états de Rydberg sont en bon accord avec des calculs théoriques ab initio, et nous observons l'augmentation spectaculaire de l'interaction en fonction du nombre quantique principal n de l'état de Rydberg.

La désintégration beta du neutron est définie par divers coefficients de corrélation mesurables qui sont utilisés pour déterminer des paramètres du Modèle Standard et rechercher de nouvelle physique. L'objectif du spectromètre aSPECT est de mesurer le coefficient a de corrélation angulaire entre l'électron et l'antineutrino avec une précision sans précédent de 1%. Ce coefficient est extrait à partir d'une mesure de haute précision du spectre d'énergie des protons. Un point central de cette thèse est l'analyse du bruit de fond, motivée par les observations de décharges durant le temps de faisceau de 2011, et par une précédente indication d'une dépendance sur le potentiel de sélection des protons. Au cours de cette thèse, plusieurs mesures ont été réalisées hors ligne, en absence de particules ionisantes issues de la désintégration du neutron. Un bruit de fond "interne" (rayons-X et ions) a été identifié. Son influence sur da/a est de l'ordre de 10^-5 à 10^-4 suivant le niveau du vide (~10^-9 mbar) et la configuration du spectromètre. L'analyse des données du temps de faisceau en 2013 permet de construire un modèle de correction des différents bruits de fond présents dans l'expérience de désintégration du neutron, en considérant sa dépendance dans le temps. La correction est d'environ 3% sur le coefficient pour une configuration et un vide standard, mais elle peut atteindre 7% dans une configuration défavorable. Pour réduire ce bruit de fond, un champ électrique de dérive est appliqué au-dessus du maximum du potentiel de sélection. Des mesures supplémentaires réalisées durant ce temps de faisceau incluaient des tests systématiques comme les effets de bord (profil du faisceau) et différentes configurations des électrodes. Afin d'obtenir le résultat final, l'analyse doit être complétée en incluant les différentes corrections et en la comparant avec des simulations des effets systématiques.

Cette thèse présente des travaux de recherche de métrologie en ligne de faisceaux de rayons X dans les installations synchrotrons. Deux approches principales ont été étudiées pour extraire la phase d'un front d'onde X : les méthodes utilisant des réseaux optiques et celles utilisant l'effet speckle dans le domaine X. L'interféromètre à réseaux X est l'outil le plus répandu résentatif de la première catégorie. Ses performances et son potentiel furent étudiés dans diverses situations de métrologie en ligne. Les méthodes utilisant le speckle X sont des techniques originales développées au cours de ce projet. Elles utilisent des membranes faites de petits grains diffusants, dont seule la distribution statistique est connue, pour permettre la modulation du front d'onde. Les différentes techniques furent déployées expérimentalement sur les lignes de lumière BM05 de l'ESRF et B16 de Diamond Light Source. Leurs implémentations servirent à la caractérisation de différents composants optiques utilisés pour manipuler les faisceaux synchrotron X et à l'étude de la faisabilité de micro imagerie par contraste de phase avec les sus citées techniques.

Le suivi des interactions entre protéines, localisées à la membrane plasmique ou à l'intérieur de cellules, a été réalisé au cours de cette thèse par imagerie de fluorescence et par l'analyse de processus dits de FRET (Forster Resonance Energy Transfer). Pour quantifier le FRET entre nos protéines d'intérêt, nous avons choisi le contraste de durée de vie de fluorescence car cette méthode est indépendante de la concentration et de l'intensité de fluorescence. Afin d'obtenir une résolution suffisante pour des problématiques neurobiologiques, un microscope TIRFLIM (Total Internal Reflection Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) avait préalablement été développé. Celui-ci nous permet de faire de l'imagerie en plein champ avec une résolution axiale sub-longueur d'onde. Ce dispositif a été calibré et optimisé au cours de cette thèse pour répondre au mieux à des problématiques biologiques. Différentes approches ont ainsi été testées dans le but de calibrer la profondeur de pénétration de l'onde évanescente. Des surfaces plasmoniques ont entre autres été utilisées pour augmenter la sélectivité axiale du montage. Notre microscope a été dédié à l'étude de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre la protéine précurseur de l'amyloïde APP, protéine transmembranaire impliquée dans la maladie d'Alzheimer et une de ses enzymes de clivage BACE1. Nous avons ainsi effectué un suivi dynamique de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre APP et BACE1 dans des cellules HEK-293 et dans des cultures primaires de neurones d'hippocampe d'embryons de rat, de la membrane plasmique à l'intérieur des cellules grâce à notre dispositif TIRFLIM. La mesure d'anisotropie de fluorescence résolue en temps a également été implémentée sur notre montage. Ces mesures résolues en temps et en polarisation ont permis de mesurer le temps de corrélation rotationnelle de fluorophores et de mettre en évidence de manière qualitative différents niveaux d'homodimérisation de protéines impliquées dans la maladie d'Alzheimer.

Au cours de ces travaux de thèse, nous avons étudié par microscopie magnétique à émission d'électrons balistiques (BEMM) les propriétés de magnétotransport d'électrons chauds de la vanne de spin Fe/Au/Fe épitaxiée sur GaAs(001). Dans ces expériences, la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) injecte localement un courant d'électrons chauds à la surface de la vanne de spin. La mesure sous champ magnétique du courant d'électrons balistiques collecté à l'arrière de l'échantillon donne accès aux propriétés locales de magnétoconductance de l'échantillon. Nous avons dans un premier temps étudié les propriétés de magnétotransport de vannes de spin planaires. Les mesures BEMM démontrent un magnétocourant d'électrons chauds pouvant atteindre 500 % à température ambiante. Ces forts effets de magnétoconductance ne sont que très faiblement dépendants des épaisseurs des électrodes de fer et ne peuvent donc être dus à l'asymétrie en spin de la longueur d'atténuation des électrons chauds dans les couches de fer. Dans cette structure épitaxiée, la polarisation en spin du faisceau d'électrons chauds s'acquiert principalement aux interfaces via des effets de structure électronique. L'électron traversant les couches minces métalliques se propage comme un état de Bloch. Sa transmission aux différentes interfaces se fait en conservant d'une part la composante transverse k║ du vecteur d'onde électronique, et d'autre part, la symétrie de la fonction d'onde. Au-dessus de la barrière Schottky, les électrons chauds sont collectés dans la vallée Г du GaAs se projetant à l'interface dans la direction k║=0. Dans cette direction k║=0, la conservation de la symétrie de la fonction d'onde à l'interface Fe/Au conduit au filtrage des états de Bloch de symétrie Δ1 du fer. Ces états de symétrie Δ1, totalement polarisés en spin, sont responsables des forts magnétocourants d'électrons chauds observés. Cette analyse est confirmée expérimentalement par l'observation d'une corrélation entre amplitude du magnétocourant et masse effective du substrat semiconducteur. En augmentant la masse effective du semiconducteur, on ouvre le collimateur filtrant le courant d'électrons chauds autour de la direction k║=0, et le magnétocourant diminue sans modifier la vanne de spin. Dans un second temps, tirant partie de la résolution latérale du microscope et de sa sensibilité au magnétisme, des microstructures de fer préparées sous ultra-vide par évaporation à travers un masque (méthode du nanostencil) ont été étudiées. Dans ces structures, la modulation du courant collecté par la structure locale en domaines magnétiques a permis la réalisation d'images magnétiques avec une haute résolution spatiale. Les contrastes observés sur ces microstructures sont en excellent accord avec les images BEMM calculées à partir de simulations micromagnétiques ouvrant la voie à une microscopie magnétique quantitative à forte sensibilité et résolution latérale nanométrique.

Il existe aujourd'hui un enjeu sociétal majeur à s'intéresser à la propagation du son en milieu extérieur etnotamment, dans notre contexte, à diminuer l'incertitude sur l'estimation des niveaux sonores et améliorer ainsi laprécision des diverses analyses, du bureau d'étude à l'institut de recherche. Dans le cadre de l'acoustiqueenvironnementale, l'influence des conditions météorologiques sur la propagation acoustique en milieu extérieurpeut être importante. Il est donc nécessaire d'appréhender et de quantifier les phénomènes météorologiques demicro-échelles que l'on observe dans la couche limite atmosphérique.Dans ce but, le modèle météorologique de recherche de Météo-France (Meso-NH) a été utilisé. Après avoircomparé les résultats de ce modèle à très fine résolution (de l'ordre du mètre) à l'aide des bases de données de deuxcampagnes expérimentales (Lannemezan 2005 et la Station de Long Terme), il s'est avéré nécessaire de développercet outil en intégrant la prise en compte de la force de traînée des arbres. Dès lors, les résultats issus de Meso-NH surles champs de vent, de température et d'énergie cinétique turbulente aparraissent satisfaisants. Ces informationssont par la suite utilisées en données d'entrée du modèle de propagation acoustique.Le modèle acoustique temporel utilisé est basé sur la méthode Transmission Line Matrix (TLM). Sondéveloppement a été effectué dans le but d'être appliqué à la propagation acoustique en milieu extérieur : prise encompte du relief, de différents types de sol, des conditions atmosphériques, etc. La validation numérique de laméthode TLM, par comparaison avec d'autres modèles (analytique et numérique de type Equation Parabolique), apermis de montrer la pertinence de son utilisation dans le cadre de l'acoustique environnementale.Enfin, à l'aide de ces modèles, des niveaux sonores simulés sous différentes conditions de propagation(favorables, défavorables, homogènes) ont été comparés aux mesures in-situ réalisées lors de la campagneexpérimentale de Lannemezan 2005. Les résultats se sont avérés très satisfaisants au regard de la variabilité desphénomènes observés. Cependant, l'utilisation des champs issus d'un modèle micro-météorologique de type Meso-NH reste délicate du fait de la forte sensibilité du niveau sonore aux profils verticaux de célérité du son. L'étude defaisabilité sur une expérience plus complexe (la Station de Long Terme) est encourageante et, à condition de disposerd'importants moyens de calculs, elle permet de considérer la TLM comme une nouvelle méthode de référence etainsi, d'envisager d'élargir son domaine d'utilisation à d'autres applications.

Les nanoparticules d'YVO4:Eu peuvent être utilisées individuellement, en tant que sondes biologiques, ou assemblées, en couches minces par exemple. Pour ces deux applications, la nanostructure de ces objets impacte fortement leurs propriétés. Sa maîtrise serait donc un atout de choix. Dans une première partie, la structuration de ces nanomatériaux au cours de leur synthèse a été suivie par diffusion des rayons X (SAXS/WAXS) couplée à une mesure de fluorescence. La première étape du mécanisme de formation consiste en la précipitation d'un hydroxyde mixte amorphe, filandreux et peu luminescent. Puis, la phase YVO4:Eu cristallise sous forme de grains de 4 nm qui apparaissent directement à leur taille finale ; on parle de nucléation pop-corn. Finalement, ces grains se réorganisent en nanoparticules hiérarchiques de 40 nm. Au cours de cette étude, il est apparu que la structure du précipité initial jouait un rôle important sur la nanostructure des particules. Dans la seconde partie, nous nous sommes focalisés sur les applications de ces particules en couches minces luminescentes et transparentes par pulvérisation. Rapidement, nous avons été confrontés à l'effet tache de café. Ce dernier est coupable de causer des dépôts anisotropes et, par conséquent, des couches diffusantes. En le supprimant progressivement, nous avons pu contrôler la forme des dépôts de gouttes uniques et ainsi faire varier la transparence des films. Ces résultats ont été appliqués à différentes particules luminescentes afin de produire les couches les plus luminescentes et les plus transparentes possibles. Finalement, l'étude a été étendue aux couches à upconversion.

Nanostructured materials are gaining an ongoing demand because of their exceptional chemical and physical properties. Due to complexities and costs of experimental studies at nanoscale, computer simulations are getting more attractive asexperimental alternatives. In this PhD work, we tried to use combination of atomistic simulations and continuum modeling for the evaluation of thermal conductivity and elastic stiffness of nanostructured materials. We used molecular dynamics simulations to probe and investigate the thermal and mechanical response of materials at nanoscale. The finite element and micromechanics methods that are on the basis of continuum mechanics theories were used to evaluate the bulk properties of materials. The predicted properties are then compared with existing experimental results.

Ce travail de thèse porte sur l'imagerie multispectrale à haut contraste pour la détection et la caractérisation directe d'exoplanètes. Dans ce contexte, le développement de méthodes innovantes de traitement d'images est indispensable afin d'éliminer les tavelures quasi-statiques dans l'image finale qui restent à ce jour, la principale limitation pour le haut contraste. Bien que les aberrations résiduelles instrumentales soient à l'origine de ces tavelures, aucune méthode de réduction de données n'utilise de modèle de formation d'image coronographique qui prend ces aberrations comme paramètres. L'approche adoptée dans cette thèse comprend le développement, dans un cadre bayésien, d'une méthode d'inversion fondée sur un modèle analytique d'imagerie coronographique. Cette méthode estime conjointement les aberrations instrumentales et l'objet d'intérêt, à savoir les exoplanètes, afin de séparer correctement ces deux contributions. L'étape d'estimation des aberrations à partir des images plan focal (ou phase retrieval en anglais), est la plus difficile car le modèle de réponse instrumentale sur l'axe dont elle dépend est fortement non-linéaire. Le développement et l'étude d'un modèle approché d'imagerie coronographique plus simple se sont donc révélés très utiles pour la compréhension du problème et m'ont inspiré des stratégies de minimisation. J'ai finalement pu tester ma méthode et d'estimer ses performances en terme de robustesse et de détection d'exoplanètes. Pour cela, je l'ai appliquée sur des images simulées et j'ai notamment étudié l'effet des différents paramètres du modèle d'imagerie utilisé. J'ai ainsi démontré que cette nouvelle méthode, associée à un schéma d'optimisation fondé sur une bonne connaissance du problème, peut fonctionner de manière relativement robuste, en dépit des difficultés de l'étape de phase retrieval. En particulier, elle permet de détecter des exoplanètes dans le cas d'images simulées avec un niveau de détection conforme à l'objectif de l'instrument SPHERE. Ce travail débouche sur de nombreuses perspectives dont celle de démontrer l'utilité de cette méthode sur des images simulées avec des coronographes plus réalistes et sur des images réelles de l'instrument SPHERE. De plus, l'extension de la méthode pour la caractérisation des exoplanètes est relativement aisée, tout comme son extension à l'étude d'objets plus étendus tels que les disques circumstellaire. Enfin, les résultats de ces études apporteront des enseignements importants pour le développement des futurs instruments. En particulier, les Extremely Large Telescopes soulèvent d'ores et déjà des défis techniques pour la nouvelle génération d'imageurs de planètes. Ces challenges pourront très probablement être relevés en partie grâce à des méthodes de traitement d'image fondées sur un modèle direct d'imagerie.