La détermination expérimentale des composantes du tenseur d'hyper-polarisabilité est essentielle au développement de nouvelles molécules possédant des propriétés d'optique non-linéaire. La diffusion harmonique de la lumière (DHL) correspond à un phénomène de diffusion non linéaire de la lumière pour laquelle les molécules considérées sont dans une solution isotrope. Du fait des fluctuations d'orientations et de positions des molécules, seules six observables, où invariants orientationnels, sont mesurables par DHL. Afin de déterminer expérimentalement ces six observables, nous avons mis au point un polarimètre à lame de phase tournantes fonctionnant avec une source laser impulsionnelle accordable en longueur d'onde et dédié au mesures de diffusion harmonique de la lumière. Nous avons dans un premier temps optimisé l'architecture du montage polarimétrique en nous appuyant sur la réduction du nombre de conditionnement de la matrice d'appareil, réduisant par la même les erreurs statistiques. Puis nous avons étalonné le montage au moyen d'un échantillon référence dédié à la conversion de longueur d'onde, afin de réduire les erreurs systématiques. Enfin, nous avons réalisé des mesures de diffusion harmonique de la lumière sur deux molécules connues, le DR1 et le Cristal Violet.

Nous étudions dans ce mémoire de thèse les états diexcités 1po de l'atome d'hélium, situés au voisinage de son seuil de double ionisation (79 eV), atteints par absorption d'un photon. Ces états diexcités sont soit les états du double continuum situés au-dessus du seuil de double ionisation soit les états doublements excités situés en dessous. Ces deux types d'états diexcités sont dégénérés aux états du continuum simple avec ou sans excitation de l'ion résiduel He+ et sont donc fortement couplés à ces derniers. Dans un processus de photoabsorption à un photon, ces états ne peuvent être accessibles que grâce aux corrélations électroniques du système. Le travail que nous avons réalisé s'inscrit dans une démarche qui vise à étudier tous ces états par une seule et même méthode contrairement aux travaux antérieurs où les méthodes se spécialisaient dans le traitement d'un seul type d'état.<br />Nous utilisons pour cela la méthode HRM-SOW (Hyperspherical R-Matrix with Semiclassical Outgoing Waves), initialement dédiée à l'étude du double continuum de He.<br />Dans ce travail, elle est étendue à la description du continuum simple avec ou sans excitation. Ainsi, nous avons pu calculer les sections efficaces de photoionisation simple avec ou sans excitation jusqu'à n=50 de He à 100meV seulement au dessous de son seuil de double ionisation. Une analyse détaillée en ondes partielles a permis de mettre en évidence le rôle des corrélation angulaires et radiales dans les états du simple continuum de He. Nous avons ensuite établi une relation de continuité entre la photoionisation double et la photoionisation simple avec une excitation infinie de l'ion résiduel He+. la méthode HRM-SOW permet également de calculer la section efficace intégrée de double photoionisation avec une grande précision y compris à très basse énergie. Nous l'avons donc appliquée pour différentes énergies de photon au voisinage du seuil afin de tester la loi de seuil de Wannier. Les résultats obtenus sont en accord d'une part avec les prédictions théoriques de Wannier, d'autre part avec les résultats expérimentaux. La méthode HRM-SOW apparaît donc comme une méthode complète au dessus du seuil de double ionisation. <br />Nous avons poursuivi ce travail en amorçant l'étude des états doublement excités autoionisants. Ceux ci se manifestent comme des résonances dans les sections efficaces d'ionisation sous le seuil de double ionisation. Nos calculs de sections efficaces partielles intégrées et différentielles nous ont permis d'identifier ce type d'états dans la région allant jusqu'au cinquième d'ionisation simple. Certains ont été observés pour la première fois.

Les molécules ayant des protons en position échangeable possèdent des isomères de spin nucléaires différents. Leur interconversion, interdite à l'ordre zéro par la mécanique quantique, dépend en partie de l'environnement.<br />Dans les atmosphères cométaires, la mesure du rapport d'abondance de ces isomères pour les molécules de H2O, NH3, CH4, et plus récemment de CH3OH, montre un écart à l'équilibre thermodynamique. Sa signification physique est à ce jour au cœur d'un débat : est- ce un indicateur de la température qui régnait dans l'environnement primordial au sein duquel se sont formées ces molécules ? <br />Ce travail expérimental alliant techniques de vide et de cryogénie, vise à identifier, en amont d'une étude dans les glaces cométaires, certains paramètres impliqués dans la conversion de spin nucléaire de H2O isolée dans des environnements plus simples : les matrices de gaz rare. Dans un tel environnement, un enrichissement en isomère de spin ortho ou para est produit par un changement brutal de température (entre 4,2 et 30 K). La détermination du temps de retour à l'équilibre thermodynamique se fait à partir de l'enregistrement dans le temps des spectres infrarouges ro-vibrationnels des modes Ν2 (déformation angulaire) et Ν3 (élongation antisymétrique), au moyen d'un spectromètre commercial IR par transformée de Fourier.<br />L'étude systématique en fonction de la concentration que nous avons réalisée à 4,2 K en matrice d'argon, montre qu'il existe deux régimes de conversion qui sont en compétition. Pour des dilutions [Ar/H2O] supérieures à 1000, les temps de conversion (~670 minutes) sont indépendants de la concentration et atteignent un plateau. Cette conversion qui n'est pas imputable à des effets parasites (impuretés moléculaires, exposition au rayonnement IR du spectromètre, influence du support, ...) est sans doute due à un processus d'origine intramoléculaire, accéléré par la matrice. Par contre, en dessous du 1000ème, une accélération très nette de la conversion avec l'augmentation de la concentration est observée (~180 minutes au 50ème), indiquant clairement une origine intermoléculaire. Nous avons, dans ce cadre, développé un modèle faisant intervenir des interactions magnétiques entre les spins nucléaires des protons appartenant à des molécules d'eau différentes, et des échanges d'énergie avec les phonons de la matrice. Ce modèle, qui ne dépend que de l'écart en énergie entre les niveaux de rotation et du taux de relaxation collisionnelle de la molécule isolée en matrice, autorise la conversion d'origine intermoléculaire à 4,2 K en ouvrant un canal de conversion couplant le premier niveau de rotation de chacun des isomères de spin. L'existence d'un deuxième canal, plus efficace d'un ordre de grandeur à 25 K, dû à un effet de population, explique l'accélération observée à température croissante.<br />La substitution de l'argon par du néon, du krypton ou du xénon, a permis de montrer, en accord complet avec le modèle, que le mécanisme d'origine intermoléculaire est plus efficace dans la matrice qui a le paramètre de maille le plus faible.

Les sources d'ions de type RCE sont issues de la recherche sur la fusion et ont, en quelques sorte, révolutionnées le domaine des sources d'ions multichargés. Ces équipements ont permis à la fois d'augmenter les performances des accélérateurs actuels (énergies, type d'ions, intensités) permettant par la même l'exploration de nouveaux domaines de Physique (matériaux, agrégats etc...) comme d'ouvrir de nouvelles voies plus applicatives : hadronthérapie, traitement de surface, etc... Ce mémoire expose les développements réalisés au GANIL / CIMAP sur les développements techniques et théoriques de ce type d'équipement afin de proposer de nouvelles versions soit plus performantes soit plus versatiles dans leurs applications / utilisations. Dans ce mémoire trois exemples d'utilisation de sources RCE sont développés : utilisation des ions multichargés comme sonde pour l'étude Physique des agrégats de fullerènes ; production de faisceaux d'ions multichargés mais de taille micrométriques et la modification des propriétés physiques d'une surface de Ti-6Al-4V grâce à l'implantation d'ions multichargés multiénergies. Gageons que toutes les études et développements autour de ces sources verront voir l'apparition de nouvelles applications prometteuses aussi bien dans le domaine de la Physique fondamentale que dans celui d'applications sociétales.

Ce manuscrit décrit les travaux d'interférométrie atomique que j'ai réalisés. Je commence par présenter quelques interféromètres atomiques et leurs applications, afin de situer nos travaux. Puis je décris l'interféromètre atomique que nous avons développé à Toulouse. Il s'agit d'un interféromètre de Mach-Zehnder, utilisant un jet thermique supersonique de lithium et la diffraction atomique par laser dans le régime de Bragg. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés spatialement, avec une distance maximale voisine de 100 ¹. Les excellentes performances, avec une visibilité des franges atomiques atteignant 84.5 % et un signal intense, mènent à une sensibilité en phase de 15 mrad/ p Hz. Nous avons utilisé cet interféromètre pour plusieurs expériences, en appliquant une perturbation sur un seul des deux bras de l'interféromètre. Si la perturbation est un champ électrique, nous mesurons la polarisabilité électrique du lithium, avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure. Si la perturbation est un gaz sous faible pression, nous mesurons l'indice de réfraction complexe de ce gaz pour une onde atomique de lithium. Si la perturbation est un nanoréseau, nous mesurons l'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre zéro et cette amplitude est très sensible à l'interaction de van der Waals entre l'atome de lithium et la surface du réseau. Une partie importante de ce manuscrit concerne les perspectives. Nous discutons des améliorations pour la mesure de la polarisabilité électrique de l'atome de lithium et nous espérons atteindre une précision suffisante pour tester les meilleurs calculs ab initio de cette quantité. Une autre application envisagée concerne une mise en évidence d'une nouvelle phase géométrique, prédite par la théorie en 1993, mais jamais observée jusqu'à présent. Enfin, nous souhaitons développer un interféromètre de deuxième génération, avec un jet de lithium ralenti et très intense. Cette nouvelle source augmentera le signal produit et le temps d'interaction, ce qui devrait permettre de détecter des perturbations beaucoup plus petites: une application particulièrement intéressante de ce nouvel interféromètre atomique est le test de la neutralité électrique des atomes, avec une sensibilité fortement améliorée.

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.

Activités de recherche portant sur le développement d'une nouvelle génération de lasers produisant des impulsions ultra−brèves et directement pompés par diode. Ces travaux comportent plusieurs volets : 1− un volet sur les oscillateurs et amplificateurs laser femtoseconde à base de nouveaux cristaux dopés à l'ytterbium (en collaboration avec des laboratoires de cristallogenèse) 2− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'ytterbium et en particulier sur l'optimisation des effets non−linéaires et de la dispersion pour réduire la durée et améliorer la qualité temporelle des impulsions 3− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'erbium pour des applications en chirurgie oculaire 4− un volet sur le développement de sources et systèmes appliqués à l'imagerie biomédicale 5− un volet consacré au laser Pilote du projet Apollon pour l'Institut de la Lumière Extrême.

The establishment of robust laser-cooling techniques for the formation of ultracold atoms has provided a test-bed for low-temperature science, with scattering events changing character from incoherent thermal interactions to coherent quantum mechanical events. A natural extension is the pursuit of ultracold molecules in prescribed low-energy internal states. Atomic cooling techniques, however, do not generalize to the molecular regime due to the complex energy-level structure afforded by its extra degrees of motion. An indirect approach to ultracold molecule formation - photoassociation using ultrafast laser pulses - is the focus of this thesis. A broadband field associates atom pairs into a localized molecular wavepacket that evolves within the attractive excited-state potential. A suitably timed dump pulse may thus be applied to stabilize population into deeply bound ground vibrational states. This strategy may be generalized to any species whose spectroscopy matches the pulse spectrum, and offers a coherent population transfer scheme that does not require precise knowledge of the system. This thesis presents experiments using high-energy photoassociation pulses applied to ultracold rubidium atoms. The pulses quench the background ground-state molecular population but form bound dimers within the excited state. A pump-probe experiment was designed to chart the excited-state dynamics; however, the oscillations predicted by theoretical calculations were not evident in the molecular signal. The nature of the dynamics is expected to be strongly dependent on the initial state of the atom pairs addressed by the ultrafast pulse: a bound molecular population provides an additional candidate to free atoms. A spectroscopic measurement characterizes these bound molecules and identifies their formation mechanism. A subsequent experiment provides evidence that the predominant contributor to the pump-probe signal is the unbound initial population. The consequences with regard to both the observation of excited-state dynamics and the subsequent application of a dump pulse are discussed.

Resource identification and quantification is an essential element of both classical and quantum information theory. Entanglement is one of these resources, arising when quantum communication and nonlocal operations are expensive to perform. In the first part of this thesis we quantify the effective entanglement when operations are additionally restricted to account for both fundamental restrictions on operations, such as those arising from superselection rules, as well as experimental errors arising from the imperfections in the apparatus. For an important class of errors we find a linear relationship between the usual and effective higher dimensional generalization of concurrence, a measure of entanglement. Following the treatment of effective entanglement, we focus on a related concept of nonlocality in the presence of superselection rules (SSR). Here we propose a scheme that may be used to activate nongenuinely multipartite nonlocality, in that a single copy of a state is not multipartite nonlocal, while two or more copies exhibit nongenuinely multipartite nonlocality. The states used exhibit the more powerful genuinely multipartite nonlocality when SSR are not enforced, but not when they are, raising the question of what is needed for genuinely multipartite nonlocality. We show that whenever the number of particles is insufficient, the degrading of genuinely multipartite to nongenuinely multipartite nonlocality is necessary. While in the first few chapters we focus our attention on understanding the resources present in quantum states, in the final part we turn the picture around and instead treat operations themselves as a resource. We provide our observers with free access to classical operations - ie. those that cannot detect or generate quantum coherence. We show that the operation of interest can then be used to either generate or detect quantum coherence if and only if it violates a particular commutation relation. Using the relative entropy, the commutation relation provides us with a measure of nonclassicality of operations. We show that the measure is a sum of two contributions, the generating power and the distinguishing power, each of which is separately an essential ingredient in quantum communication and information processing. The measure also sheds light on the operational meaning of quantum discord - we show it can be interpreted as the difference in superdense coding capacity between a quantum state and a classical state.

Due to the recent success, in terms of accuracy and precision, of a number of strontium optical lattice optical frequency standards, and the classification of the 5s² ¹S₀ to 5s5p ³P₀ transition in neutral strontium as a secondary definition of the SI unit of the second, many new strontium lattice clocks are under development. The strontium optical lattice clock (Sr OLC) at the National Physical Laboratory (NPL) is one such project. This thesis describes the design and build of the NPL Sr OLC, discussing the considerations behind the design. Details of the first cooling stage are given, which includes the characterisation of a novel permanent-magnet Zeeman slower by measurements of the longitudinal velocity distributions and loading of the MOT at 461 nm. Development of a narrow linewidth laser system at 689 nm is described, which is used for initial spectroscopy of the second-stage cooling transition. In particular, this work describes progress towards two independent ultra-narrow linewidth clock lasers. The new generation of strontium lattice clock experiments have focused on characterising the systematic frequency shifts and reducing their associated fractional frequency uncertainties, as well as reducing the fractional frequency instability of the measurement. One focus of the Sr OLC at NPL is to help characterise the frequency shift of the clock transition due to black-body radiation (BBR), which is currently the largest contributor to the uncertainty budget of the measured clock frequency. Our approach, discussed here, is to make a direct, differential measurement of the shift with the atoms housed alternately in environments of differing temperatures. Better characterisation and control of the BBR frequency shift of the strontium clock transition is crucial for the future of the Sr OLC as a leading frequency standard.