Ultracold atomic gases have proven to be an excellent tool for research in quantum systems. A Bose gas can be trapped on an atom chip using very well defined and tunable spatially-dependent potentials. The proximity of the atoms to the chip permits the use of low currents allowing for highly accurate temporal changes. Excellent experimental apparatus is needed to achieve Bose-Einstein condensation with a sufficient atom number to study low-dimensional physics. The setup described in this document utilises a set of current-carrying structures on top of which an atom chip sits. For improved atom loading rate, a two-dimensional loading stage was added, extending the lifetime of the magnetic trap. From this loading stage to the atom chip, Bose-Einstein condensation of 105 Rubidium-87 atoms was achieved in less than 30 s, allowing for a large rate of experimental cycles. The high spatial and temporal tunability of this setup results in the ability to split the atomic cloud and quench the trapping potential geometry. Maximising the ratio between trapping frequencies for different spatial directions leads to the system presenting features of a one-dimensional gas. Manipulating the coherence dynamics of a one-dimensional Bose-Einstein condensate creates fluctuations in the phase properties of the wavefunction. These fluctuations are observed as atom density perturbations after releasing the trapping potentials, and are a tool for temperature measurements. When the cloud of atoms is positioned at a few tens of micrometres from the surface of the atom chip, corrugations in the microstructures of the chip affect the trapping potentials at very low temperatures 1 μK. This effect is simulated and quantified in the thesis, with the aim of improving future setups. Additionally, the effect is explored for microscopy purposes. The behaviour of a Bose-Einstein condensate, especially the expansion rate, has long been studied. In this thesis, the Gross-Pitaevskii Equation is introduced, finding its numerical solutions to the two-dimensional and three-dimensional forms, using the Split-Step Fourier Method. The results show very good agreement with the experimental results, as well as with other well- established theories of condensates. The creation of such a toolbox opens up the opportunity to further investigate the coherence dynamics of low-dimensional systems.

The first Hohenberg-Kohn theorem is extended to noninteger particle numbers. As a result of this extension; one can show that there exists a noncrossing theorem for ground ensembles of different particle numbers. This theorem excludes some densities as possible ground-state densities of a given system, provided the ground-state densities of this and other systems are known at a neighboring particle number. This theorem produces inequalities that functionals modelling the exchange-correlation energy and the noninteracting kinetic energy must fulfill It was proved in the early 1980's that the exchange-correlation potential undergoes a discontinuous positive jump as the particle number crosses an integer. This explained significant discrepancies in Local Density Approximation calculations of the fundamental band gap. The proof relies on a physically reasonable assumption that the shape of the exchange-correlation potential of the interacting system changes continuously with respect to the particle number. We prove that the noninteracting kinetic energy varies continuously with respect to the particle number and argue that this strongly indicates that the assumption is correct. In the special case where the particle number crosses 1, a rigorous proof is presented for the existence and size of the discontinuity of the exchange-correlation potential. The ensemble-search noninteracting kinetic energy of a 1- or 2-particle system is shown to be given by the von Weizsacker functional A new density scaling is developed under which the first terms of the gradient expansion for the noninteracting kinetic energy and the exchange energy become exact as the scaling constant goes to infinity. This is a limit that should be fulfilled by approximate functionals for these quantities. The successful Generalized Gradient Approximations for exchange do not, and we explain why / acase@tulane.edu

This dissertation examines the electronic structure and magnetic properties of II-VI and IV-VI dilute magnetic semiconductors (DMS). Properties that are investigated include the exchange energy, magnetic moment, density of states, sources of the magnetic coupling, and the effect that crystal disorder has on the aforementioned parameters. The computational methods employed are the Vienna ab-initio Simulation Package (VASP), and the Layered Korringa-Kohn-Rostoker (LKKR) method. These two methods are based upon density functional theory. VASP relies on the construction of a pseudopotential and a plane wave expansion to model the charge density and wavefunction. LKKR uses multiple scattering theory to find the Green's function and electronic structure. The coherent potential approximation (CPA) can be readily incorporated into the LKKR approach, resulting in a first principle technique that can study a substitutionally disordered random alloy We have studied how the double-exchange, super-exchange, and inter-band exchange are effected by the crystal symmetry of the host, the electronic structure of the transition metal, and geometry of the impurities d-shell. We observed in a few materials that a competition between exchange mechanism is possible. When the sign of the interactions are the same, the result is an unambiguous magnetic ground state. However, when the sign of the competing exchange mechanisms are opposite, the material is expected to have a weaker, often oscillating, magnetic coupling, as a result of magnetic frustration and sensitivity to transition metal spacing and orientation. We have also examined how the chemical interactions may be coupled to the magnetic interactions. This becomes important at high impurity concentrations when the transition metal impurity cannot participate effectively in crystal bonding. In these cases, the transition metal d-orbitals that reside in the gap, and are involved in the exchange, are forced to initiate bonding with the host. This will result in an unexpected magnetic coupling. We note that most models of the transition metal coupling are formulated in the dilute limit The goal of this study was to discover, theoretically, a DMS structure that is both half-metallic and ferromagnetic at room temperature. The Cr doped compounds, and Ni II-VI compounds were found to be the most likely candidates to exhibit these properties. We also seek to establish systematic trends of how the electronic structure and magnetic properties vary as a function of crystal disorder. This is relevant since disorder is always present to some degree in these types of materials as a consequence of the growth techniques used in their fabrication / acase@tulane.edu

Nous considérons la description quantique de la lumière dans le<br />régime des variables continues, où les photons ne sont pas<br />distinguables individuellement. Dans la limite des petites<br />fluctuations quantiques, nous cherchons à augmenter la richesse,<br />et les possibles applications, des états quantiques produits en<br />multipliant le nombre de "modes" -ou degrés de libertés- mis en<br />jeu par le processus de détection. C'est ce que nous appelons<br />l'optique quantique multimode. Dans ce cadre, nous voyons comment,<br />en pratique, compter le nombre de modes pertinents au sein d'un<br />faisceau lumineux. Puis nous reprenons la théorie de la mesure<br />optique pour associer le caractère multimode de la lumière à la<br />recherche d'information dans un faisceau. Par cette approche, nous<br />redéfinissons les limites ultimes de la mesure et nous considérons<br />l'intrication quantique à partir de n'importe quelle grandeur<br />mesurable. Nous illustrons cette théorie par des expériences<br />mettant en jeu de plus en plus de modes : mesures de photons<br />jumeaux, intrication et téléportation quantique, mesure et<br />réduction du bruit de polarisation, nano-positionnement d'un<br />faisceau au delà de la limite quantique standard, intrication<br />spatiale, amplification sans bruit d'images et optique quantique<br />multimode avec des peignes de fréquence. Nous évoquons également<br />les possibles applications à l'accroissement des capacités de<br />stockage et de transfert d'information, au traitement en parallèle<br />de l'information quantique et à l'amélioration les techniques<br />d'imagerie et de métrologie.

Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications "grand public" telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité posées sur ces horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes. Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ce mémoire expose les concepts fondateurs du projet HORACE. Il décrit par la suite la réalisation expérimentale du premier prototype à vocation métrologique de l'horloge HORACE. Il présente l'évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court-terme de l'horloge réalisée au laboratoire. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ $2~10^8$ atomes à une température de $35~\mu K$ pouvaient être obtenus. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'au niveau de $2~10^{-4}$. Cette grande stabilité a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1000 en fonctionnement. L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de $2.2~10^{-13}~\tau^{-1/2}$ s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permettant de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40~ms et d'obtenir \emph{in fine} un rapport cyclique proche de 50\%. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12~Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme. Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

Le chaos quantique désigne l'étude de systèmes dont le prolongement classique est chaotique. Le modèle du pendule pulsé, qui en est un exemple paradigmatique, est réalisé expérimentalement en plaçant un échantillon d'atomes refroidis (MOT) dans une onde stationnaire pulsée formée par un faisceau laser retro-reflechi. L'étude de la dynamique s'appuie sur la mesure de la distribution d'impulsions des atomes. <br />Après avoir retrouvé expérimentalement le phénomène quantique de localisation dynamique, lié au caractère périodique de la séquence de pulses, la destruction de ce phénomène (délocalisation dynamique) par l'utilisation de séquences superposant deux séries de pulses de période (séquence bicolore) est étudiée puis expliquée par un modèle théorique. Cette analyse suggère que la délocalisation est, dans ce contexte, réversible. Il est ainsi montré expérimentalement qu'une séquence bicolore inversée conduit une délocalisation suivie d'une relocalisation.

Le but de ce travail est la réalisation d'un composant intégré pour l'amplification optique des signaux de télécommunications. La fonction d'amplification est primordiale dans tous les types de transmissions de données à moyenne et longue distance. Nous verrons tout d'abord le rôle du composant dans les réseaux de télécommunications optiques, ainsi que la théorie des processus d'amplification appliquée aux deux matériaux utilisés (Nanocristaux de PbSe et particules dopées Erbium). Après la fabrication et la caractérisation optique de la résine de PMMA dopée aux nanocristaux de PbSe, nous décrirons l'élaboration du composant incluant les différentes étapes de simulation et de fabrication. Les propriétés optiques de ce guide amplificateur seront déterminées : pertes de propagation et de couplage, gain on-off et gain net.

Thesis on the subject of lasercooling and trapping of neutral mercury for the purpose of making a lattice clock.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la thématique du stockage de données sur disques optiques haute densité. Il porte plus précisément sur une technologie visant à accroître la capacité des disques optiques, fondée sur l'emploi de techniques dites de Super-Résolution. Ces disques, qui comprennent des informations théoriquement trop petites pour être détectables, peuvent néanmoins être lus si leurs propriétés optiques varient localement sous l'influence du faisceau laser de lecture. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans cette thèse, en insérant unempilements actif de couchesminces au coeur des disques. En particulier, nous avons montré que l'introduction d'une couche mince du matériau semiconducteur InSb permet de doubler la densité des disques optiques au format Blu-Ray, portant ainsi leur capacité à 46 Go. Nous avons également montré, par le biais de caractérisations optiques statiques, que la réflectivité de ce matériau augmente de manière réversible et reproductible sous excitation laser intense. Nous avons évalué l'importance de la thermique dans les mécanismes physiques et physico-chimiques associés à ces variations de propriétés optiques et avons réalisé une modélisation thermo-optique de l'évolution transitoire de la réflectivité des empilements actifs, fondée sur la variation des propriétés optiques de InSb avec la température.

Cette thèse présente une étude expérimentale de la fluorescence induite par laser analysée par un spectromètre à transformée de Fourier haute résolution de la molécule KLi. Des courbes de potentiel précises ont été calculées pour l'état fondamental, X1+, de 39K7Li et 39K6Li. Une étude simultanée de ces deux isotopologues a établi une brisure de l'approximation de Born-Oppenheimer faible mais significative. Nous avons aussi détecté 6 niveaux vibrationnels élevés de l'état a3+, également corrélé à l'asymptote atomique Li(2s) + K(4s). Bien que les données ne couvrent que 25 % du puits de potentiel, une expression analytique donne une bonne extrapolation vers le minimum du potentiel et ajuste toutes les données dans limites de l'incertitude expérimentale. Une expérience similaire de CuCl2 formé en jet supersonique a conduit à déterminer la constante de spin-orbite de l'état X2g de CuCl2. Des spectres de polarisation de NaLi ont été aussi analysés, donnant des informations préliminaires sur deux états excités