La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés. / The Warm Dense Matter (WDM) regime is characterised by a density close to the solid density and an electron temperature close to the Fermi temperature. In this work, the nonequilibrium Warm Dense Matter is studied during the solid to liquid phase transition induced by an ultra short laser interacting with a solid. A 30 femtoseconds time resolution pump-probe experiment (FDI) is set up, yielding to the measurement of the heated sample complex reflectivity for both S and P polarisation.We have determined a criterion based on the measured reflectivities, which permits to control the interface shape of the probed matter. For pump laser fluences around 1 J/cm2, the hydrodynamics of the heated matter is studied and experimental results are compared to the two-temperatures code ESTHER. Furthermore, the evolution of the dielectric function at 800 nm and 400 nm is inferred from our measurements on a sub-picosecond time-scale. Within the Drude-Lorentz model for the conduction electrons, the dielectric function yields information such as ionisation state, electronic temperature and electron collision frequency.

Durant ces travaux, nous nous sommes intéressés à l’étude des transferts thermiques aux nano-échelles dans les couches minces par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la mesure haute-cadence de la conductivité thermique d’alliages de Fe-Si-Ge et Ti-Ni-Sn, dans le but d’optimiser leur processus de fabrication et de créer une base de données des propriétés thermiques de ces matériaux. Afin de pouvoir mesurer une grande quantité d’échantillons en un temps réduit, un système de mesure haute cadence entièrement automatisé a été développé et utilisé avec succès. Dans un second temps,ces travaux ont portés sur l’étude du transport thermique dans trois matériaux (Ge, GaAs In-GaAs) par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. Une nouvelle méthode de mesure de la réponse spectrale des nanomatériaux sur une gamme de fréquences allant de quelques centaines de kHz jusqu’au THz a été développée. Les mesures à l’aide de cette méthode ont permis de confirmer la présence d’un régime de transport qualifié de quasi-balistique dans certains matériaux,et une méthode d’extraction de propriétés thermiques à partir de la réponse spectrale mesurée, et prenant en compte ces effets quasi-balistiques, a été développée. L’ensemble des résultats obtenus par ces nouvelles méthodes confirment les travaux précédents décrits dans la littérature. Enfin, la mesure de la réponse spectrale d’un nano-matériau à haute fréquence est en grande partie limitée par la gigue des cavités lasers utilisées par l’expérience. Ainsi, la dernière étape a été de développer un système de mesure de cette gigue et de synchronisation de cavités laser qui pourra permettre de repousser la limite des fréquences mesurables par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. / In this work, we studied ultrafast thermal transport at nanoscale in thin films by femtosecond pump-probe thermal spectroscopy. We first developed a high-throughput heterodyne thermoreflectance setup that allows the extraction of thermal properties of a large number of sample in a minimum time, aiming at creating a database of these properties for a large numberof thin film ternary alloys with thermoelectric potential. In the second part of this work, wefocused on the study of thermal transport in three materials : Ge, GaAs and InGaAs. A high resolution phonon spectroscopy setup, along with a spectral reconstruction method allowed usto measure the response of these materials up to several tens of GHz in Fourier domain, which highlighted the presence of non-diffusive thermal transport in InGaAs. Non-diffusive theory,based on Lévy dynamics, allowed us to model this superdiffusion phenomenon and to extract coherent, frequency-independant thermal properties of these materials. Also, high frequency(>GHz) measurements of these spectral responses have shown interesting effects related to the ultrafast thermalisation in transducer-like very thin films. Finally, high-frequency thermal spectroscopy is inherently limited by the intrinsic timing jitter of laser cavities. Thus, the last partof this work was dedicated to developing a timing jitter measurement and active laser synchronisation system in order to increase the signal-to-noise ratio and access higher frequencies in pump-probe thermal spectroscopy experiments.

Alors que toutes les expériences de violation de la parité (PV) dans les transitions atomiques très interdites utilisent jusqu'ici la détection par fluorescence, notre expérience est de type pompe-sonde avec détection du signal PV directement sur un faisceau sonde transmis. Un faisceau laser impulsionnel de polarisation linéaire ε_1 excite les atomes de césium sur la transition 6S-7S dans un champ électrique colinéaire E parallèle à k_ex. Le faisceau sonde (k_pr parallèle à k_ex) de polarisation linéaire ε_2 accordé sur la transition 7S-6P3/2 est amplifié. La petite asymétrie (de l'ordre de 10^-6) dans le gain qui dépend du sens du tnèdre (E, ε_1, ε_2) est la manifestation de l'effet PV. On la mesure par une apparente rotation de la polarisation sonde, impaire en E, dans un polarimètre utilisé en mode équilibré. La mise en oeuvre de nouveaux critères de sélection nous permet de discriminer le vrai signal PV de fausses rotations dues à des interférences électromagnétiques, aux effets géométriques, aux imperfections des polarisations pompe et sonde, ou à la présence de champs électriques ou magnétiques transverses. Ces critères de sélection exploitent la symétrie du signal PV - dichroisme linéaire - et la symétrie de révolution de l'expérience. Ceci permet non seulement de rejeter de faux signaux mais aussi d'identifier les mécanismes en jeu, la nature des défauts et de déterminer leur grandeur. Le rapport signal-sur-bruit actuel permet d'entreprendre des mesures PV à la précision statistique de 10%. Une mesure à 1% nécessite des améliorations. Nous avons démontré deux voies possibles. La première exploite l'amplification de l'asymétrie à fort gain, l'un des atouts majeurs de notre méthode de détection basée sur l'émission stimulée. La seconde combine l'augmentation de l'intensité sonde incidente et l'usage d'une lame dichroique amplifiant de petites rotations de polarisation.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des réseaux optiques brillants dans des situations où le potentiel lumineux perd partiellement ou totalement ses propriétés de périodicité spatiale. Elle s'inscrit dans le domaine du refroidissement d'atomes par laser tout en étudiant des systèmes qui partagent leurs propriétés de symétrie avec les quasicristaux (structures ordonnées non périodiques découvertes en physique des solides).<br /><br />Nous décrivons comment obtenir des potentiels lumineux quasi-périodiques et nous expliquons comment nous avons refroidi et piégé des atomes de césium dans des réseaux optiques incommensurables, dans des super-réseaux optiques (potentiels lumineux modulés à grande échelle) et dans des quasicristaux<br />optiques avec une symétrie rotationnelle d'ordre cinq.<br /><br />Nous avons caractérisé ces nouveaux systèmes physiques par des techniques de temps de vol, de spectroscopie pompe-sonde, de diffraction de Bragg et d'imagerie directe. Nous avons ainsi obtenu des informations sur la température cinétique, sur<br />le mouvement des atomes dans les puits de potentiel lumineux, sur la distribution de densité atomique (ordre à grande échelle) et sur les propriétés de transport des réseaux optiques quasi-périodiques.<br /><br />Dans une dernière partie de la thèse, nous avons effectué une étude<br />numérique par simulation Monte-Carlo semi-classique des réseaux optiques périodiques et quasi-périodiques à trois dimensions. Les résultats de ces simulations sur la température, la localisation et les propriétés de transport sont en bon accord qualitatif avec les expériences. Ces simulations ont permis d'améliorer notablement la compréhension du comportement des atomes dans ce nouveau type de réseau optique.

Nous étudions les performances et limites de cellules à césium en<br />saphir pour une expérience de physique atomique visant à une mesure précise<br />d'un effet de violation de parité (PV) associé à l'échange du boson Zo<br />dans l'atome de césium. Une telle mesure permet un test à très basse énergie du<br />modèle standard électrofaible. Il s'agit d'une expérience pompe-sonde sur le<br />système 6S1/2-7S1/2-6P3/2, menée en régime impulsionnel, dans une<br />vapeur dense de césium (2.10^14 atomes/cm3), soumise à un champ<br />électrique E= (2kV/cm) statique à<br />l'échelle des impulsions laser. <br /><br />Dans la configuration étudiée avant cette thèse (champ E appliqué selon<br />la direction de propagation des faisceaux) les cellules en saphir ont permis de<br />dépasser plusieurs limites rencontrées auparavant avec les cellules en verre:<br />(i) totale immunité des fenêtres aux conditions de l'expérience (ii)<br />destruction thermique des dimères Cs2 en surchauffant la vapeur (iii)<br />production désormais possible du champ E dans la cellule avec des<br />électrodes externes, attestant la réduction des courants surfaciques internes.<br />Il apparaît cependant une émission d'électrons par les fenêtres, induite par<br />l'impulsion laser d'excitation, et on met en évidence une multiplication des<br />charges au cours de leur accélération dans le champ électrique. Les<br />perturbations associées à la charge d'espace et au courant électronique<br />limitent actuellement la précision des moyennages PV dans cette configuration.<br />Nous avons ensuite exploré une nouvelle configuration expérimentale, où le<br />champ électrique est perpendiculaire aux faisceaux. Cela a été réalisable<br />facilement avec l'utilisation d'électrodes externes, exploitables avec les<br />cellules en saphir. Les premières études expérimentales ont permis de dégager<br />les conditions de mesure et de calibration d'orientations atomiques<br />longitudinale et transverse (en utilisant la précession de Larmor) dans l'état<br />7S, par polarimétrie pompe-sonde impulsionnelle, en exploitant la détection par<br />émission stimulée. Nous avons par ailleurs mis en oeuvre une mesure atomique<br /> in situ du champ électrique, utilisable dans les deux configurations<br />expérimentales. Cette mesure est indispensable pour exploiter les mesures PV en<br />configuration longitudinale.

Ce travail porte sur la réalisation de prototypes de mesure des propriétés optiques non linéaires de verres dans le proche infrarouge et dans le visible. Les montages réalisés sont des expériences pompe sonde colinéaires résolues en temps dans lesquelles la susceptibilité non linéaire est déduite des variations de l'intensité du faisceau sonde induites par un couplage entre les faisceaux pompe et sonde dans le matériau. La sensibilité de ces expériences ont permis entre autre d'observer des variations inattendues, supérieures à 30%, des indices non linéaires de différentes silice fondue, d'analyser les origines de la non linéarité de verres d'oxydes prometteurs pour les applications tout optique et de comprendre et mesurer les processus non linéaire dans les diodes dites « à deux photons ». Enfin, une architecture originale pour la mesure d'indice non linéaire en configuration non dégénérée par une approche de mesure de phase de l'impulsion sonde à l'aide d'un interféromètre de Sagnac est proposée et analysée.

Au cours de ce travail expérimental, nous nous sommes intéressés aux propriétés photo-physiques d'un mutant de la protéine Fuorescente verte (Green Fluorescent Protein, GFP). Plus particulièrement, nous avons caractérisé par spectroscopie femtoseconde résolue spectralement la dynamique des états excités de ce mutant. Nous avons tout d'abord comparé les résultats obtenus avec ceux de la protéine naturelle. Cela nous a permis de montrer que la dynamique des états excités s'avère très sensible aux modifcations de l'environnement proche de la partie optiquement active de la protéine. Dans une deuxième partie qui concerne l'étude de fusion génétique fragment d'anticorps-GFP, nous avons utilisé la sensibilité offerte par la dynamique des états excités de la protéine pour caractériser l'état de repliement de l'anticorps fusionné. Une autre partie de ce travail a été consacrée à l'étude des propriétés dynamiques de certains dérivés de la coumarine dont la nature de rotors moléculaires a été évoquée dans la littérature. Nous avons montré que la dynamique des états excités ne présente pas de signatures d'un tel comportement. Parallèlement aux études dynamiques, nous avons étudié le vieillissement ou diminution du nombre de molécules fluorescentes d'un ensemble bien déterminé de GFP sous illumination continue. Cette étude a mis en évidence le fait que l'évolution temporelle du système est gouvernée par une statistique de Lévy. L'une des conséquences principales étant l'existence d'un état instable à durée de vie moyenne infnie.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la dynamique atomique dans un réseau optique dissipatif. Nous avons utilisé les techniques de spectroscopie pompe-sonde et d'imagerie du nuage atomique. Nous avons pu obtenir avec ces méthodes des informations sur la température, sur le mouvement des atomes piégés dans les puits de potentiel optique et sur les processus de transport.<br /><br />Nous reportons l'observation directe des modes de propagation Brillouin par imagerie et nous étudions le lien avec la résonance optique que l'on observe dans les spectres pompe-sonde. Nous montrons l'existence de modes noirs, pour lesquels un mode de propagation est excité sans qu'il soit détectable par spectroscopie.<br /><br />Nous utilisons les réseaux optiques comme système modèle pour la physique statistique. Nous montrons l'existence d'une résonance stochastique pour l'excitation du mode de propagation Brillouin.<br /><br />Enfin, nous reportons l'observation d'une diffusion dirigée d'atomes dans un potentiel périodique symétrique, obtenue grâce à la brisure de la symétrie temporelle du système.

Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.

Le spin d'un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l'information, dans des dispositifs pour l'électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d'InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l'expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu'à l'exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d'environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l'électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l'ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d'un temps de vie de spin très long (ms) peut, à son tour devenir, un support robuste de l'information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l'on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l'énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d'une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d'une part, l'intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l'information quantique, et d'autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.