Doctor of Philosophy / Department of Physics / Brett D. DePaola / Many people in the science community are interested in the prospect of cold molecules for such applications as quantum computing and molecular Bose-Einstein condensates. Current methods of production fall short of the requirements for such projects. Photo association is a promising technique for forming cold molecules, but is currently facing significant obstacles. By understanding the photo association process and utilizing higher excited states, it is hoped that cold molecules can be formed from more easily produced cold atoms. Photo associative Ionization (PAI) is presented as a means to study excited state molecular dynamics at large internuclear separation, including photo association. This thesis presents a number of techniques for studying PAI in cold rubidium and a number of results obtained with the techniques. Excitation pathways for the process are explored in both narrow linewidth (MHz) and ultrafast (fs), large bandwidth (20 nm) domains.

The encapsulation of a small molecule inside a fullerene cage through advances in synthetic chemistry have created a new platform to study the dynamics of a freely rotating and translating quantum rotors entrapped inside a symmetric cage potential. These endohedral fullerene complexes are of great interest because the fullerene cages uniquely provide the entrapped molecules a high level of isolation, homogeneity, symmetry and stability. The endohedral fullerene complexes discussed in this thesis are the H2@C60, H2@C70 and H2O@C60. Both variants of small molecules studied in this thesis, H2 and H2O, exhibits spin isomerism, where the spins of both protons in the molecule are able to combine either symmetrically with total spin I=1 (ortho) or anti-symmetrically with total spin I=0 (para). The H2@C60 is the union between the simplest molecule and the most symmetrical molecule in the universe. This thesis discusses the temperature dependence of cold neutron scattering study in this complex to investigate the statistical distribution of the energy states. The H2@C70 is a less symmetric endohedral fullerene which has a prolate ellipsoidal symmetry cage. This thesis discusses the low temperature thermal neutron scattering and the temperature dependence of cold neutron scattering investigations in the complex to study the effect of the ellipsoidal cage on the quantum dynamics of the molecules. H2O@C60 is different to the dihydrogen variant of the small molecule endohedral fullerenes because H2O has a permanent electric dipole moment and is less symmetric than H2. The quantum dynamics of the H2O@C60 is investigated using low temperature thermal neutron scattering, temperature dependence cold neutron scattering and milli-Kelvin NMR. Unlike the dihydrogen endohedral fullerenes, the H2O@C60 also exhibits slow nuclear spin-isomer conversion at low temperatures. This low temperature ortho-H2O to para-H2O conversion process is investigated with both INS and NMR to study the conversion mechanism.

The work described in this thesis was conducted at the University of Nottingham in the Sir Peter Mansfield Imaging Centre, between September 2011 and 2014. Subject motion in high- resolution magnetic resonance imaging (MRI) is a major source of image artefacts. It is a very complex problem, due to variety of physical motion types, imaging techniques, or k-space trajectories. Many techniques have been proposed over the years to correct images for motion, all looking for the best practical solution in clinical scanning, which would give cost- effective, robust and high accuracy correction, without decreasing patient comfort or prolonging the scan time. Moreover, if the susceptibility induced field changes due to head rotation are large enough, they will compromise motion correction methods. In this work a method for prospective correction of head motion for MR brain imaging at 7 T was proposed. It would employ innovative NMR tracking devices not presented in literature before. The device presented in this thesis is characterized by a high accuracy of position measurements (0.06 ± 0.04 mm), is considered very practical, and stands the chance to be used in routine imaging in the future. This study also investigated the significance of the field changes induced by the susceptibility in human brain due to small head rotations (±10 deg). The size and location of these field changes were characterized, and then the effects of the changes on the image were simulated. The results have shown that the field shift may be as large as |-18.3| Hz/deg. For standard Gradient Echo sequence at 7 T and a typical head movement, the simulated image distortions were on average equal to 0.5%, and not larger than 15% of the brightest voxel. This is not likely to compromise motion correction, but may be significant in some imaging sequences.

Durant ces 6 dernières années, ma thématique principale de recherche s'est d'abord focalisée sur l'étude de la stabilité et des processus de fragmentation de fullerènes et des agrégats de fullerènes, puis dans celle de la stabilité et de la réactivité de molécules ou de systèmes d'intérêt biologique.<br />Un des principaux résultats de ces études concerne les agrégats moléculaires de fullerènes, qui sont en principe des agrégats de type van der Waals, donc faiblement liés et surtout électriquement isolants. Nous avons montré que les espèces stables multiplement chargées, formées suite à des collisions avec des ions lents multichargés, qui ne subissent par ailleurs aucune modification structurelle profonde suite à leur chargement par impact d'ions, deviennent contre toutes attentes de bons conducteurs électriques ! <br />Les autres observations majeures obtenues dans ces recherches sont reliées la compréhension des mécanismes responsables à l'échelle moléculaire, en phase gazeuse, de l'endommagement de systèmes moléculaires d'intérêt biologique, suite à une irradiation avec des ions. Ces études ont notamment montré : d'une part, que certains mécanismes de reconnaissance moléculaire persistent en phase gazeuse, et d'autre part, que même la présence d'un environnement biochimique simplifié modifie fortement la dynamique de l'instabilité de la charge de ces molécules d'intérêt biologique.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Zenghu Chang / The few-cycle femtosecond laser pulse has proved itself to be a powerful tool for controlling the electron dynamics inside atoms and molecules. By applying such few-cycle pulses as a driving field, single isolated attosecond pulses can be produced through the high-order harmonic generation process, which provide a novel tool for capturing the real time electron motion. The first part of the thesis is devoted to the state of the art few-cycle near infrared (NIR) laser pulse development, which includes absolute phase control (carrier-envelope phase stabilization), amplitude control (power stabilization), and relative phase control (pulse compression and shaping). Then the double optical gating (DOG) method for generating single attosecond pulses and the attosecond streaking experiment for characterizing such pulses are presented. Various experimental limitations in the attosecond streaking measurement are illustrated through simulation. Finally by using the single attosecond pulses generated by DOG, an attosecond transient absorption experiment is performed to study the autoionization process of argon. When the delay between a few-cycle NIR pulse and a single attosecond XUV pulse is scanned, the Fano resonance shapes of the argon autoionizing states are modified by the NIR pulse, which shows the direct observation and control of electron-electron correlation in the temporal domain.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Zenghu Chang / In this research, the carrier-envelope phase (CE phase) evolution of the pulse train from a Kerr-lens mode-locked chirped-mirror dispersion compensated Ti:Sapphire laser oscillator was stabilized. The offset frequency corresponding to the rate of change of the CE phase was obtained by spectrally broadening the oscillator pulses in a photonic crystal fiber and interfering the f and 2f components. An offset frequency linewidth of 100 mHz was obtained and could be locked over several hours. The effect of path length drift in the interferometer used for CE phase stabilization of the laser oscillator was investigated. By stabilizing the path length drift, the interferometer noise was reduced by several orders of magnitude. The CE phase drift through a grating-based chirped-pulse multi-pass amplifier was investigated. Varying the grating separation by 1μm in the stretcher was found to cause a shift of 3.7 +/- 1.2 rad of the CE phase. The CE phase could be stabilized to within 160 mrad rms error by feedback controlling the grating separation. By locking the path length in the f-to-2f interferometer used to stabilize the CE phase of the oscillator pulses, the fast (>3 Hz) CE phase drift of the amplified laser pulses was reduced from 79 to 48 mrad. It was also found that the CE phase could be shifted and set to any value within a 2π range by changing the grating separation. Also, the CE phase could be continuously modulated within a 2π range while maintaining a relative phase error of 171 mrad. The CE phase shift of a grating-based compressor was found to be stabilized to 230 mrad rms. The effect of laser power fluctuation on the CE phase measurement was also investigated. It was found that a 1% fluctuation of the laser energy caused a 160 mrad error in the CE phase measurement. A two-step model is proposed to explain the phase-energy coupling in the CE phase measurement. The model explains the experimentally observed dependence of the group delay between the f and 2f pulses on the laser energy. Few-cycle pulses were CE phase stabilized to 134 mrad rms and were used to perform above-threshold ionization and high harmonic generation.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Kristan L. Corwin / Current portable near-infrared optical frequency references offer modest accuracy and instability compared to laboratory references. Low pressure reference cells are necessary to realize features narrower than the Doppler broadened overtone transitions, and most setups to date have occurred in free-space. Hollow-core photonic crystal fibers offer a potential alternative to free-space setups through their small cores (~10’s of µm) and low-loss guidance. Furthermore, HC-PCF can be made into fiber cells that could be directly integrated into existing telecommunications networks. Efforts were made to fabricate these fiber cells with a low pressure of molecules trapped inside, but this has proven to be quite challenging. Therefore, investigation of these fibers is conducted by placing the ends of the fiber inside vacuum chambers loaded with acetylene (12C2H2). The linewidths of several P branch transitions (near 1.5 µm) are investigated as a function of acetylene pressure and optical pump power in three different HC-PCFs. Frequency modulation spectroscopy is then implemented on the acetylene-filled HC-PCF to generate sub-Doppler dispersion features that are useful for frequency stabilization using standard servo electronics. Instability and accuracy of this near-IR optical reference were then determined by analysis of heterodyne experiments conducted with frequency combs referenced to a GPS-disciplined rubidium oscillator. The instability and accuracy of this HC-PCF reference are within an order of magnitude of free-space experiments, as expected based on the ratio of linewidths observed in the two experiments. Therefore, HC-PCF has been shown to be suitable for potential frequency references. Further work is necessary to fabricate gas fiber cells with high optical transmission and low molecular contamination.

Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale. Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully3D Monte CARLO) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilidé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, région hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP,ML-EM,ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.