Le travail présenté porte sur les progrès récents d'expériences de spectroscopie atomique sur césium et francium, visant à des mesures précises de violation de parité (PV) dans ces atomes. Dans le cadre d'une “thèse en cotutelle”, le candidat s'est consacré d'une part aux mesures PV préliminaires (8% de précision) de l'actuelle expérience Cs au LKB à Paris, et d'autre part à la préparation d'un échantillon d'atomes radioactifs de Fr (production et piégeage) aux LNL (INFN) en Italie. Ces deux expériences sont à des stades très différents. Les mesures présentées pour le Cs s'inscrivent en fait dans la lignée d'un travail commencé en 1991, pour la détection de PV par émission stimulée. L'expérience italienne est par contre à ses débuts: pour pouvoir sonder les propriétés du Fr, instable, il faut d'abord produire et rassembler un nombre suffisant d'atomes. La conception de montages PV qui ont démontré leur validité sur le césium constitue une solide base de départ pour le cas du francium.

Dans ce mémoire, nous présentons des calculs d'énergie de transition <br />dans les ions lithiumoïdes et les atomes exotiques : 1) Les nouvelles <br />sources rendent possible la fabrication d'ions lourds fortement <br />chargés. Nous nous sommes intéressés à l'étude de la structure <br />hyperfine des ions lithiumoïdes. Cela nous permet d'examiner les <br />problèmes relativistes à plusieurs corps et la partie magnétique des <br />corrections d'Electrodynamique Quantique (QED). Dans les ions lourds, <br />ces dernières sont de l'ordre de quelques pour-cents par rapport à <br />l'énergie totale de la transition hyperfine. Nous avons également <br />évalué l'effet de Bohr-Weisskopf lié à la distribution du moment <br />magnétique dans le noyau. Nous avons calculé puis comparé ces <br />différentes contributions en incluant les corrections radiatives <br />(polarisation du vide et self-énergie) ainsi que l'influence du <br />continuum négatif. 2) Un atome exotique est un atome dans lequel un <br />électron du cortège est remplacé par une particule de même charge : <br />$\mu^(-)$, $\pi^(-)$, $\bar(p)$\ldots Des expériences récentes ont <br />permis de gagner trois ordres de grandeur en précision et en <br />résolution. Nous avons voulu améliorer la précision des calculs <br />d'énergies de transitions nécessaires à la calibration et à <br />l'interprétation dans deux cas : la mesure de paramètres de <br />l'interaction forte dans l'hydrogène anti-protonique ($\bar(p)$H) et <br />la détermination de la masse du pion grâce à l'azote pionique <br />($\pi$N). Nos calculs prennent en compte la structure hyperfine et le <br />volume de la distribution de charge de la particule. Nous avons <br />amélioré le calcul de la polarisation du vide qui ne peut plus être <br />traitée au premier ordre de la théorie des perturbations dans le cas <br />des atomes exotiques. Pour les atomes anti-protoniques, nous avons <br />également ajouté la correction du g-2. Elle provient du caractère <br />composite de l'anti-proton qui de ce fait possède un rapport <br />gyromagnétique g $\approx$ -5.5856 .

Ce mémoire de thèse présente une série d'expériences visant à caractériser la dynamique d'un condensat de Bose-Einstein dilué, en nous concentrant plus particulièrement sur sa mise en rotation. En utilisant un laser très désaccordé, nous avons pu réaliser un potentiel dipolaire simulant l'expérience du seau tournant effectuée précédemment sur l'hélium II : la mise en rotation s'accompagne alors de la formation de tourbillons quantifiés caractérisés par un défaut de phase en leur coeur. Ce défaut topologique a pu être mis en évidence par une expérience d'interférences atomiques entre deux paquets d'ondes séparés spatialement. De plus, nous avons mesuré le moment cinétique du nuage en étudiant le spectre de ses modes de surface, nous permettant ainsi de préciser le mécanisme de nucléation des tourbillons. Ceux-ci se forment suite à une instabilité dynamique du condensat, dépendant fortement de la géométrie du potentiel tournant.

Dans ce travail, nous présentons l'effet de la corrélation sur les énergies de liaison totales de différents ions hautement chargés ainsi que sur les durées de vie de l'état métastable $^3P_2$ dans plusieurs gaz rares (Ne, Ar, Kr et Xe). Nous avons également établi l'expression du taux d'émission spontanée de deux photons dans les atomes à $N$-électrons sous une forme adaptée à la méthode Dirac-Fock multiconfigurée qui constitue l'une des approche possible du problème à plusieurs corps relativistes. De même, nous avons effectué des calculs d'énergie de transitions dans les atomes exotiques. Ces derniers sont des atomes où un électron du cortège électronique a été remplacé par une particule de même charge : $\mu^-$ ou $\pi^-$. Ces calculs ont eu deux objectifs, d'une part, établir des standards de calibration en énergie pour les transitions $X$ et, d'autre part de déterminer la masse du pion chargé $\pi^-$. Ces calculs nous ont conduits à déterminer le terme de Breit correspondant à l'interaction pion-électron afin d'obtenir des résultats plus précis.

Atomlaserstrahlen, die aus atomaren Bose-Einstein Kondensaten<br />extrahiert werden, stellen eine kohärente Materiequelle mit<br />faszinierenden Eigenschaften dar: der sich im Gravitationsfeld<br />ausbreitende Strahl ist über seine gesamte Länge phasenkohärent.<br />Dies konnten wir erstmals im Experiment direkt nachweisen. Der<br />Atomlaserstrahl wird an einem Spiegel für Materiewellen<br />retro-reflektiert, so dass sich der einlaufende und der<br />reflektierte Anteil des Strahls mit einer Zeitverzögerung<br />überlagern. Aus dem Kontrast des resultierenden<br />Interferenzmusters wird die Linienbreite und somit die<br />Kohärenzzeit des Atomlaserstrahls bestimmt. Für den Einsatz von<br />kohärenten Atomlaserstrahlen in Präzisionsanwendungen wie<br />Atominterferometern haben wir kohärenzerhaltende atomoptischen<br />Elemente wie Spiegel, Strahlteiler und Resonator sowie ein<br />kontinuierliches, zustand-selektives Nachweisverfahren für den<br />Strahl entwickelt.

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.

La dynamique quantique dans un potentiel périodique a fait l'objet de nombreuses études depuis les travaux de Bloch, dans les années 30, portant sur la dynamique des électrons dans un solide cristalisé. Cette dynamique est expérimentalement observable à l'aide d'atomes refroidis. L'utilisation de potentiels optiques permet de synthétiser, de façon très souple, des formes variées de potentiels, périodique, stationnaire ou dépendant du temps. Outre la grande variété de potentiels accessibles, l'atout majeur présenté par ces systémes est l'absence de dissipation et de processus de décohérence. Le travail présenté s'inscrit dans cette perspective et propose une description théorique, simple et analytique, de la dynamique quantique dans un potentiel périodique dépendant du temps. Il est connu depuis les travaux de Zener (1934), que la dynamique quantique dans un potentiel périodique en escalier, contrairement à l'intuition classique, est un mouvement d'oscillations nommé Oscillations de Bloch. Nous montrons que lors d'une modulation harmonique du potentiel des phénomènes de résonance apparaissent entre la fréquence de modulation et la fréquence des oscillations de Bloch et engendrent un transport de la particule dans le réseau. Cette dynamique est alors interprétée comme une interférence quantique mettant ainsi en exergue le role fondamental des cohérences quantiques de l'état initial. La réalisation expérimentale récente (1995) de la condensation de Bose Einstein d'un gaz atomique permet d'obtenir un état quantique cohérent mésoscopique. Récemment, des oscillations de Bloch ont été observées à l'aide de tels Ètats. Nous montrons que, outre ces oscillations, le condensat dans un potentiel périodique en escalier présente des régimes dynamiques chaotiques. Notre description introduit une base d'états adaptée et nous pouvons alors décrire la dynamique comme une évolution hamiltonienne classique portant sur les amplitudes et phases des états introduits. Les couplages non-linÈaires entre les différents états engendrent, pour certains états initiaux, des dynamiques chaotiques au sens classique bien que le condensat de Bose Einstein soit un objet quantique.

Ce travail de thèse a consisté en l'étude et l'optimisation d'une source ultra-brève de rayonnement X dans la gamme multi-keV, issue de l'interaction d'un laser intense avec un jet d'agrégats d'Argon. Nous avons porté un intérêt tout particulier sur la caractérisation du jet d'agrégats d'Argon employé lors des expériences (densité totale, densité et taille moyenne des agrégats). L'étude de la propagation de l'impulsion laser dans le jet dense d'agrégats a révélé l'existence d'un effet lié à la réfraction dans le jet. L'absorption, le chauffage et les spectres d'émission X ont été étudiés en fonction des paramètres du laser femtoseconde (durée et énergie de l'impulsion laser, contraste temporel) et de la taille des agrégats (20 à 35 nm), dans le but d'optimiser la source de rayonnement X,. L'absorption et 'émission X présentent un optimum avec la durée laser consistant avec un modèle existant. Le contraste s'est avéré un paramètre crucial pour la production de rayonnement X. Un rendement énergétique très intéressant a été obtenu : 12 nJ de rayonnement X émis autour de 3 keV, pour 3 mJ d'énergie laser incidente. L'analyse de l'énergie moyenne déposée par agrégat est associée à une modélisation simple de l'expansion hydrodynamique de l'agrégat. Un code de physique atomique est utilisé pour tenter de reconstruire les spectres et pour analyser l'aspect temporel de la source X. La comparaison de ces calculs avec une expérience préliminaire montre une durée ultra-brève de l'émission X (de l'ordre de la ps).

Ce manuscrit présente différentes études s'inscrivant dans la thématique du contrôle cohérent. Nous établissons, aussi bien théoriquement qu'expérimentalement, la possibilité de manipuler finement la dynamique rotationnelle de molécules linéaires. Afin d'opérer cette manipulation, les impulsions ultra-brèves sont façonnées par un dispositif de mise en forme. Son principe et sa mise en place sont décrits de manière détaillée. La dynamique rotationnelle de la molécule linéaire d'azote (N2) est manipulée en jouant sur l'excitation relative entre les composantes rotationnelles paires et impaires du paquet d'ondes en régime de champ faible. Pour cela, nous avons opté pour une modulation de phase périodique bien définie de l'impulsion excitatrice. Une analyse temporelle vient éclairer sous un autre angle les résultats expérimentaux. Une extension de la stratégie de contrôle au régime de champ fort permet de contrôler la dynamique de l'alignement moléculaire.

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).