Cette thèse présente les premiers travaux réalisés autour d’un nouveau dispositif expérimental de piégeage d’atomes individuels utilisant une unique lentille asphérique de grande ouverture numérique. Au cours de cette thèse, nous avons testé les propriétés optiques de la lentille et démontré la formation d’un col laser de 1 µm ainsi qu’un champ transverse sur lequel la lentille est limitée par diffraction de plus ou moins 25 µm. Après avoir démontré la capacité de ce système à piéger des atomes uniques, les caractérisations usuelles des conditions de piégeage ont été conduites: durée de vie, taux de chauffage, polarisation de la lumière de fluorescence, fréquences d’oscillations. Cette thèse s’est intéressée spécifiquement à la distribution d’énergie des atomes uniques piégés. La technique de lâcher et recapture combinée à une étude spectroscopique de l’occupation du piège par les atomes a conduit à la vérification du caractère thermique de la distribution d’énergie des atomes. Par un refroidissement laser combiné à un refroidissement adiabatique, une température minimale de 1,75 µK sans pertes d’atomes est obtenue avec un niveau vibrationnel moyen occupé égal à 4. Ces résultats sont très encourageants dans le contexte de l’information quantique où la température est souvent la principale limite physique à la durée de vie des cohérences d’un bit quantique. La dernière partie de cette thèse revient sur la problématique de la manipulation spatiale d’atomes uniques. Envisagé dans le cadre de la réalisation d’un calculateur quantique, le transfert d’un bit quantique et son déplacement dans l’espace sur une échelle compatible avec les caractéristiques d’un calculateur sont successivement étudiés. Ces travaux ont montré que ni l’état externe des atomes (au travers de leur température) ni leur état interne (à travers la durée de vie des cohérences d’un bit quantique) sont affectés par ce type de manipulations. / This thesis presents the early work done on a new setup that we have developped for trapping single atoms in an optical tweezer using only one diffraction limited large numerical aperture aspheric lens. Together with an experimental optical measurement of a 1µm laser beam waist created by such an aspheric lens, we showed that the diffraction limited transverse field of the lens is about plus or minus 25 µm. The ability of this new setup to trap single atoms is demonstrated and some crucial parameters are then determined : survival time in the dark, heating rate, fluorescence light polarisation, oscillation frequencies. During this PhD, we did focus our attention especially on determining the energy distribution of the single trapped atoms. A release and recapture technique along with the spectroscopic study of the energy levels occupation helped us show a termal behavior of a succession of single atoms in an optical twezer. By using common laser cooling techniques associated with adiabatic down ramping cooling, we showed that a reduction by a factor 100 of the mean energy corresponding to a mean vibrationnal energy level of about 4 and a minimum temperature of 1,75 µK. Spatial manipulation of single atoms and qubits was also studied. Using a tip-tilt platform, a second trap is set on the experiment and the transfer from one trap to the other, as well as the displacement of one trap with help of the platform, are experimentally studied. Both the temperature of the atoms and the qubit lifetime are showed to be insensitive to these manipulations.

Pt-supported catalysts are widely used industrially for hydrogenation reactions. However, the kinetics of hydrogen activation, a critical step for any hydrogenation reaction, is still not well understood on supported Pt surfaces. Recent studies had shown that activity and selectivity vary with Pt nuclearity for the acetylene semihydrogenation reaction, increasing in activity and decreasing in selectivity while increasing the particle size from single atoms (SA) to sub-nanoclusters to nanoparticles (NP), attributing the cause of these differences on activities to the activity of H2 activation in the H/D isotopic exchange reaction. In this work, the kinetics of H2 is studied by performing the H2-D2 isotopic exchange reaction on Pt-supported catalysts with different nuclearity to extract the activation barriers and pre-exponential factors for dissociating adsorption and associative desorption (Eads, Edes, and vads, vdes respectively) from the microkinetic model derived from the Bonhoeffer Farkas mechanism, this to perform a more in-depth analysis regarding the differences in activity when comparing the H2 adsorption energy (Eads+ = Eads-Edes) and frequency factors as a function of nuclearity. Experiments were carried out in a quartz tubular fixed bed reactor coupled with a Mass Spectrometer to analyze the product gas by carrying out both, an integral analysis (from 0 to equilibrium conversion) by performing light-off experiments and differential analysis (low conversions) by performing Arrhenius experiments in the low and high coverage regions. / Master of Science / Hydrogenation is a chemical reaction widely used in the petrochemical industry for the refining process where a substance reacts with molecular hydrogen H2 adding pairs of H atoms to compounds. However, hydrogen is unreactive towards other substances in the absence of metal catalysts such as platinum (Pt), which dramatically accelerates the reaction rates making hydrogenation reaction possible. In industry, metallic catalysts are found as supported catalysts where the precious metal is supported on materials with higher thermal and mechanical stability to endure the operation conditions. Depending on the pretreatment conditions the size of metallic particles on the support can be manipulated, giving place to samples made of the same materials but different particle sizes with different properties. There are two critical steps during hydrogenation reactions the first one is the hydrogen activation which consists of the dissociation and adhesion of the two hydrogen atoms from the molecular hydrogen on the metallic surface and the second one is the reverse process where two hydrogen atoms recombine and are released from the metallic surface. Both steps involve a minimum amount of energy to dissociate and recombine hydrogen atoms which are strongly dependent on the metallic particle sizes. The goal of this thesis is to extract these dissociation and recombination energies of hydrogen on platinum particles of different sizes supported on alumina.

Tesis por compendio / Las especies de metal con diferentes tamaños (átomos individuales, nanocristales y nanopartículas) muestran un comportamiento catalítico diferente para diversas reacciones catalíticas heterogéneas. Se ha demostrado en la bibliografía que muchos factores que incluyen el tamaño de partícula, la forma, la composición química, la interacción metal-soporte, la interacción metal-reactivo / disolvente, pueden tener influencias significativas sobre las propiedades catalíticas de los catalizadores metálicos. Los desarrollos recientes de metodologías de síntesis bien controladas y herramientas de caracterización avanzada permiten correlacionar las relaciones a nivel molecular. En esta tesis, he llevado a cabo estudios sobre catalizadores metálicos desde átomos individuales hasta nanoclusters y nanopartículas. Al desarrollar nuevas metodologías de síntesis, el tamaño de las especies metálicas puede modularse y usarse como catalizadores modelo para estudiar el efecto del tamaño sobre el comportamiento catalítico de los catalizadores metálicos para la oxidación del CO, la hidrogenación selectiva, la oxidación selectiva y la fotocatálisis. Se ha encontrado que, los átomos metálicos dispersados por separado y los grupos subnanométricos de metal pueden aglomerarse en nanoclusters o nanopartículas más grandes en condiciones de reacción. Para mejorar la estabilidad de los catalizadores subnanométricos de metal, he desarrollado una nueva estrategia para la generación de átomos individuales y clusters en zeolitas. Esas especies subnanométricas de metales son estables en tratamientos de oxidación-reducción a 550 oC. Siguiendo esta nueva metodología de síntesis, este nuevo tipo de materiales puede servir como catalizador modelo para estudiar la evolución de especies subnanométricas de metales en condiciones de reacción. La transformación estructural de las especies subnanométricas de Pt ha sido estudiada mediante microscopía electrónica de transmisión in situ. Se ha demostrado que el tamaño de las especies de Pt está fuertemente relacionado con las condiciones de reacción, que proporcionan importantes conocimientos para comprender el comportamiento de los catalizadores de metales subnanométricos en condiciones de reacción. En la otra línea de investigación para catalizadores de metales no nobles, he desarrollado varias estrategias generales para obtener catalizadores de metales no nobles, ya sea soportados sobre óxidos metálicos o protegidos por capas delgadas de carbono. Estos materiales muestran un rendimiento excelente para varias reacciones importantes, como la hidrogenación quimioselectiva de nitroarenos, incluso cuando se comparan con los catalizadores de metales nobles convencionales. En algunos casos, los catalizadores de metales no nobles pueden incluso alcanzar selectividades para productos inviables que no ha sido posible conseguir en catalizadores de metales nobles convencionales, que es causado por la diferente ruta de reacción en catalizadores de metales no nobles. Sin embargo, la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X a presión ambiente ha revelado que la irradiación de la luz puede modular la selectividad a los alcoholes y los hidrocarburos C2 +, lo que abre una nueva posibilidad para ajustar el comportamiento catalítico de los catalizadores metálicos. Con base en los trabajos anteriores de diferentes aspectos relacionados con catalizadores metálicos heterogéneos, las perspectivas sobre las direcciones futuras hacia una mejor comprensión del comportamiento catalítico de diferentes entidades metálicas (átomos individuales, nanoagrupamientos y nanopartículas) de una manera unificadora también se han dado en esta tesis. / Les espècies metàl·liques de diferents dimensions (àtoms individuals, nanoclusters i nanopartícules) mostren diferents comportaments catalítics per a diverses reaccions catalítiques heterogènies. S'ha demostrat a la literatura que, molts factors que inclouen la mida de la partícula, la forma, la composició química, la interacció amb el suport metàl·lic, la reacció metàl·lica i la interacció amb dissolvents poden tenir influències significatives sobre les propietats catalítiques dels catalitzadors metàl·lics. Els desenvolupaments recents de metodologies de síntesi ben controlades i eines de caracterització avançada permeten relacionar les relacions a nivell molecular. En aquesta tesi, he realitzat estudis sobre catalitzadors metàl·lics d'àtoms únics a nanoclústers i nanopartícules. Mitjançant el desenvolupament de noves metodologies de síntesi, la mida de les espècies metàl·liques es pot modular i utilitzar com a catalitzadors model per estudiar l'efecte de mida sobre el comportament catalític dels catalitzadors metàl·lics per a l'oxidació de CO, hidrogenació selectiva, oxidació selectiva i fotocatàlisi. S'ha trobat que, els àtoms metàl·lics dispersos individualment i els clústers metàl·lics subnanomètrics poden aglomerar-se en nanoclústeres o nanopartícules més grans en condicions de reacció. Per millorar l'estabilitat dels catalitzadors subnanomètrics de metall, he desenvolupat una nova estratègia per a la generació d'àtoms i racimos en zeolites. Aquestes espècies metàl·liques subnanométricas són estables en tractaments de reducció d'oxidació a 550 oC. Després d'aquesta nova metodologia de síntesi, aquest nou tipus de materials poden servir com a model de catalitzador per estudiar l'evolució de les espècies metàl·liques subnanométricas en condicions de reacció. La transformació estructural de l'espècie Pn subnanométrica ha estat estudiada per microscòpia electrònica de transmissió in situ. S'ha demostrat que la mida de les espècies de Pt està fortament relacionada amb les condicions de reacció, que proporcionen idees importants per comprendre el comportament dels catalitzadors de subnanometria en condicions de reacció. En l'altra línia de recerca dels catalitzadors de metalls no nobles, he desenvolupat diverses estratègies generals per obtenir catalizadors de metalls no nobles recolzats en òxids metàl·lics o protegits per capes de carboni primes. Aquests materials presenten un excel·lent rendiment per a diverses reaccions importants, com la hidrogenació quimioelectiva de nitroarenes, fins i tot quan es comparen amb els catalitzadors convencionals de metall noble. En alguns casos, els catalitzadors de metalls no nobles poden fins i tot aconseguir selectivitats a productes no factibles que no s'han pogut assolir en catalitzadors de metall noble convencionals, que es deuen a la via de reacció diferent en catalitzadors de metalls no nobles. No obstant això, s'ha observat una espectroscòpia de fotoelèctria de raigs X amb pressió d'atmosfera que la irradiació lleugera pot modular la selectivitat als alcohols i hidrocarburs C2 +, la qual cosa obre una nova possibilitat per sintonitzar el comportament catalític dels catalitzadors metàl·lics. A partir d'aquests treballs de diferents aspectes relacionats amb els catalitzadors metàl·lics heterogenis, també s'ha donat en aquesta tesi perspectives sobre les futures orientacions cap a una millor comprensió del comportament catalític de diferents entitats metàl·liques (àtoms individuals, nanoclústers i nanopartícules). / Metal species with different size (single atoms, nanoclusters and nanoparticles) show different catalytic behavior for various heterogeneous catalytic reactions. It has been shown in the literature that, many factors including the particle size, shape, chemical composition, metal-support interaction, metal-reactant/solvent interaction, can have significant influences on the catalytic properties of metal catalysts. The recent developments of well-controlled synthesis methodologies and advanced characterization tools allow to correlate the relationships at molecular level. In this thesis, I have carried out studies on metal catalysts from single atoms to nanoclusters and nanoparticles. By developing new synthesis methodologies, the size of metal species can be modulated and used as model catalysts to study the size effect on the catalytic behavior of metal catalysts for CO oxidation, selective hydrogenation, selective oxidation and photocatalysis. It has been found that, singly dispersed metal atoms and subnanometric metal clusters may agglomerate into larger nanoclusters or nanoparticles under reaction conditions. To improve the stability of subnanometric metal catalysts, I have developed a new strategy for the generation of single atoms and clusters in zeolites. Those subnanometric metal species are stable in oxidation-reduction treatments at 550 oC. Following this new synthesis methodology, this new type of materials can serve as model catalyst to study the evolution of subnanometric metal species under reaction conditions. The structural transformation of subnanometric Pt species has been studied by in situ transmission electron microscopy. It has been shown that the size of Pt species is strongly related with the reaction conditions, which provide important insights for understanding the behavior of subnanometric metal catalysts under reaction conditions. In the other research line for non-noble metal catalysts, I have developed several general strategies to obtain non-noble metal catalysts either supported on metal oxides or protected by thin carbon layers. These materials show excellent performance for several important reactions, such as chemoselective hydrogenation of nitroarenes, even when compared with conventional noble metal catalysts. In some cases, non-noble metal catalysts can even achieve selectivities to unfeasible products which has not been possible to achieve on conventional noble metal catalysts, which is caused by the different reaction pathway on non-noble metal catalysts. Nevertheless, it has been revealed by ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy that light irradiation can modulate the selectivity to alcohols and C2+ hydrocarbons, which opens a new possibility for tuning the catalytic behavior of metal catalysts. Based on the above works from different aspects related with heterogeneous metal catalysts, perspectives on the future directions towards better understanding on the catalytic behavior of different metal entities (single atoms, nanoclusters and nanoparticles) in a unifying manner have also been given in this thesis. / Liu, L. (2018). Heterogeneous Metal Catalysts: From Single Atoms to Nanoclusters and Nanoparticles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113169 / Compendio

[ES] En esta tesis se han estudiado la síntesis y aplicación de clústeres y átomos metálicos aislados de Pd y Pt. Clústeres y átomos aislados han sido sintetizados siguiendo nuevas metodologías en disolución, sin utilizar ligandos orgánicos, y soportándolos en materiales metal-orgánico estructurados (MOFs) o polímeros. Después de la síntesis, las pequeñas especies metálicas se han caracterizado con diferentes técnicas, como espectroscopias ultravioleta-visible, de emisión, de absorción de rayos X, análisis atómico de emisión por plasma de inducción acoplado, difracción de rayos X y microscopía. Los clústeres y los átomos aislados se han utilizado como catalizadores en reacciones de acoplamiento C-C, de oxidación de alcoholes y como agentes antitumorales. La síntesis de dímeros de PdII soportados dentro de las cavidades del MOF ha dado lugar a la formación de complejos supramoleculares de coordinación en los canales del MOF (SCCs@MOF). En los SCCs, los dímeros de PdII representan los centros de coordinación, y ligandos de piridina fluorados y no-fluorados son los conectores entre las unidades bimetálicas. Después de la caracterización, los SCCs@MOF se han empleado como catalizadores en reacciones de acoplamiento C-C de ácidos borónicos y/o alquinos y de oxidación de alcoholes alquílicos. Estos catalizadores se comparan con los respectivos homogéneos, como un complejo cíclico de paladio, previamente sintetizado, o el sistema Pd(OAc)2/ligandos. Además, se mostrarán algunos de los pocos ejemplos de reacciones de acoplamiento C-C y de oxidación catalizadas por SCCs. También se ha llevado a cabo la reacción de oxidación de alcohol bencílicos catalizada por átomos aislados de paladio. Estas pequeñas especies fueron preparadas in situ, dando lugar a uno de los primeros ejemplos de átomos aislados en disolución en ausencia de ligandos. Para averiguar la actividad real de los átomos aislados y poder estabilizarlos, se han soportado en un MOF basado en cisteína y se han utilizado en el mismo proceso de oxidación. Por último, se ha desarrollado también la aplicación de los clústeres de Pt en tratamientos antitumorales. Los clústeres se han sintetizado en disolución utilizando un polímero como agente de reducción y una metodología similar ha permitido soportarlos en el mismo polímero. Estos clústeres han presentado resultados positivos en líneas celulares usualmente resistentes al platino. / [CA] En la present tesi doctoral s'ha realitzat un estudi de la síntesi i aplicació de clústers metàl·lics i àtoms aïllats de Pd i Pt com a catalitzadors. Ambdós s'han sintetitzat seguint noves metodologies en dissolució, sense la utilització de lligams i suportant-los en materials metal-orgànic estructurats (MOFs) o polímers. Una vegada sintetitzats, s'ha dut a terme una caracterització minuciosa amb diferents tècniques, com espectroscòpia Ultraviolat-Visible (UV-Vis), d'emissió, d'absorció de raigs X (XAS), d'emissió atòmica per plasma d'acoblament inductiu (ICP-AES), difracció de raigs X i microscòpia. Aquests clústers i àtoms aïllats s'han utilitzat com a catalitzadors en reaccions d'acoblament C-C, en oxidacions d'alcohols i en tractaments antitumorals. Concretament, la síntesi dels dímers de PdII suportats dins de les cavitats del MOF ha donat lloc a la formació de complexos de coordinació supramoleculars dins dels canals del MOF (SCCs@MOF). En els SCCs, els dímers de PdII representen els centres de coordinació, i les diferents unitats bimetàl·liques estan connectades per lligams de piridina fluorats i no fluorats. Després de la seua caracterització, els SCCs@MOF s'han utilitzat com a catalitzadors de reaccions d'acoblament C-C d'àcids borònics i/o alquins i en reaccions d'oxidació d'alcohols alquílics. També s'ha dut a terme la comparació entre els corresponents catalitzadors homogenis, per exemple un complex cíclic de pal·ladi o del sistema Pd(OAc)2/lligams. D'altra banda, mostrem un dels pocs exemples de reaccions d'acoblament C-C i de reaccions d'oxidació catalitzades per SCCs. A més, també es descriu la reacció d'oxidació d'alcohol benzílic catalitzada per àtoms aïllats de Pd. Aquestes espècies menudes es preparen in situ, donant lloc a un dels primers exemples d'àtoms aïllats en dissolució sense lligams. A més a més, per a poder verificar la seua activitat i estabilitzar-los, s'han suportat en MOFs basats amb cisteïna, utilitzant-se en el mateix procés d'oxidació. Finalment, s'ha desenvolupat l'aplicació de clústers de Pt (MCs) en tractaments antitumorals. Aquests clústers s'han preparat en dissolució utilitzant un polímer com agent reductor, i de forma similar s'han suportat en el mateix polímer. Els Pt MCs han donat resultats molt positius en línies cel·lulars que normalment són resistents al Pt. / [EN] The synthesis and application of tal clusters (MCs) and single atoms catalysts (SACs) of Pd and Pt is explored in this Thesis. Both clusters and single atoms were synthesized by following novel ligand-free procedures in solution, or by supporting them on Metal-Organic Frameworks (MOFs) or on polymers. After their synthesis, these entities were deeply characterized by techniques, such as Ultraviolet-Visible (UV-Vis), emission, X-ray Absorption (XAS) spectroscopies, Induced Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES), X-ray Diffraction and microscopy, among others. Finally, MCs or SACs were used as catalyst in homo- or cross-coupling reactions, in alcohol oxidation reactions, and in antitumoral treatments. Especially, the supporting of PdII dimers inside a MOF network allowed the following formation of Supramolecular Coordination Complexes (SCCs) within the MOF channels (SCCs@MOF). In the SCCs, the PdII dimers represent the pivotal centers and different pyridyl ligands, fluorinated and non-fluorinated, embody the linkers between the bimetallic units. After being characterized, the SCCs@MOF were used as catalysts in homocoupling reactions of boronic acids and alkynes, in cross-coupling reactions of alkynes and in alkyl alcohols oxidation. These catalysts were compared with its homogeneous counterparts, i.e., a pre-synthesized Pd metallacycle or the system Pd(OAc)2/ligands. Overall, we show some examples of C-C coupling and oxidation reactions catalyzed by SCCs. Moreover, benzyl alcohols oxidation reaction catalyzed by palladium single atoms is described. The small metal species were prepared in situ, leading to one of the first example of ligand-free single atoms in solution. Afterward, in order to verify the real activity of single atoms and to stabilize them, they were supported inside a cysteine-based MOF and used in the same oxidation process. Finally, the application of Pt clusters (MCs) in antitumoral treatments is portrayed. The clusters were synthesized in solution by using a polymer as reductant and in a similar procedure they were supported on the same polymer, which acted as a reducing agent, but also as a support. The Pt MCs gave also positive results in usually Pt-resistant cell lines. / Greco, R. (2021). Clusters and single atoms of Pd and Pt: Synthesis and applications in catalysis and as antitumoral agents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171280

This thesis focuses on the manipulation of rubidium 87 atoms in a microscopic optical dipole trap. The experiments are performed in various regimes where the number of atoms in the microscopic trap ranges from exactly one atom to several thousands on average.The single atom regime allows us to calibrate the experimental setup. We use it a quantum bit, which state we can prepare and read out with efficiencies of 99.97% and 98.6%, respectively. When several atoms are loaded in the microscopic trap we observe a sub-Poissonian distribution of the number of atoms due to light-assisted collisions in the presence of near-resonant light. A study of these collisions in our particular case (microscopic trap) reveals extremely high loss rates approaching the theoretical Langevin limit. Finally, we demonstrate that the loading of the microscopic trap is more efficient when we superimpose on this trap a second macroscopic trap, which we use as an atom reservoir. This reservoir allows us to load the micro trap from the macro trap in the absence of any near-resonant light, thus avoiding light-assisted collisions.The loading of the micro trap from the macro trap leads to optimal initial conditions for forced evaporation towards Bose-Einstein condensation with about ten atoms only. After evaporation we reach phase-space densities approaching the degenerate regime.

Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord résolu le problème du chargement aléatoire des pièges, seulement 50 % d’entre eux étant chargés avec un atome. Nous avons développé une technique pour préparer des matrices 2D, puis 3D, d’atomes de 87Rb en les déplaçant un par un avec une pince optique mobile contrôlée par ordinateur. Nous avons ensuite réalisé le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente les atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Après avoir trouvé un régime optimal où l’interaction dipolaire entre deux atomes de Rydberg se réduit à une énergie de van der Waals, nous avons tenté de préparer adiabatiquement l’état de Néel qui minimise l’énergie d’interaction. Nous avons montré que l’efficacité de préparation étaitlimitée par la décohérence induite par les lasers d’excitation. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction, le couplage dipolaire résonant, pour étudier des modèles de spins de type XY, dont le modèle Su-Schrieffer-Heeger, connu pour sa phase fermionique topologique protégée par une symétrie chirale. Ici, nous avons remplacé les fermions par des particules effectives de type `boson de cœur dur’, ce qui modifie les propriétés de cette phase. Nous avons d’abord retrouvé les propriétés à une particule, comme l’existence d’états de bords à énergie nulle. Nous avons ensuite préparé l’état fondamental à N corps pour un remplissage moitié, et observé sa dégénérescence causée par les états de bords, même en présence d’une perturbation qui lèverait cette dégénérescence dans le cas fermionique. Nous avons expliqué ce résultat par l’existence d’une symétrie plus générale, qui protège la phase bosonique. / Single atoms trapped in arrays of optical tweezers and excited to Rydberg states are a promising experimental platform for the quantum simulation of spin models. In this thesis, we first solved a long-standing challenge to this approach caused by the random loading of the traps, with only 50% of them filled with single atoms. We have engineered a robust and easy-to-use method to assemble perfectly filled two-dimensional arrays of 87Rb atoms by moving them one by one with a moveable optical tweezers controlled by computer, a technique further enhanced to trap, image and assemble three-dimensional arrays. We then implemented the quantum Ising model by coherently coupling ground-state atoms to a Rydberg level. After finding experimental parameters where the dipole-dipole interaction takes the ideal form of a van der Waals shift, we performed adiabatic preparation of the Néel state. We showed that the coherence time of our excitation lasers limited the efficiency of this technique. We then used a different type of interaction, a resonant dipolar coupling, to implement XY spin models and notably the Su-Schrieffer-Heeger model, known for its fermionic topological phase protected by the chiral symmetry. Here, we used effective hard-core bosons, which modify the properties of the topological phase. We first recovered known properties at the single particle level, such as the existence of localized zero-energy edge-states. Then, preparing the many-body ground state at half-filling, we observed a surprising robustness of its four-fold degeneracy upon applying a perturbation. This result was explained by the existence of a more general symmetry protecting the bosonic phase.

Cette thèse traite de la manipulation d'atomes de rubidium 87 piégés dans un piège optique dipolaire microscopique. Les expériences sont réalisées dans divers régimes de chargement du piège allant d'un atome unique à quelques milliers d'atomes en moyenne.Le régime à un seul atome permet de calibrer le dispositif expérimental. Nous utilisons l'atome unique comme bit quantique dont nous pouvons préparer et lire l'état avec une efficacité de 99.97% et 98.6%, respectivement. Lorsque plusieurs atomes sont chargés dans le piège microscopique, nous observons une distribution sub-Poissonienne du nombre d'atomes, liée aux collisions assistées par la présence de lumière quasi résonante. Une étude de ces collisions dans notre cas particulier (piège microscopique) révèle des taux de pertes extrêmement élevés, proches de la limite théorique de Langevin. Enfin, nous montrons que le chargement du piège microscopique avec plusieurs atomes est plus efficace lorsque nous superposons sur ce piège un deuxième piège, macroscopique, qui joue le rôle de réservoir d'atomes. Ce réservoir permet de charger le micro-piège à partir du macro-piège en l'absence de lumière quasi résonante et donc d'éviter les collisions assistées par la lumière.Le chargement du micro-piège à partir du macro-piège conduit à des conditions initiales optimales pour l'évaporation forcée dans la perspective d'atteindre la condensation de Bose-Einstein avec seulement une dizaine d'atomes. Après évaporation du gaz nous atteignons des densités dans l'espace des phases proches du régime de dégénérescence. / This thesis focuses on the manipulation of rubidium 87 atoms in a microscopic optical dipole trap. The experiments are performed in various regimes where the number of atoms in the microscopic trap ranges from exactly one atom to several thousands on average.The single atom regime allows us to calibrate the experimental setup. We use it a quantum bit, which state we can prepare and read out with efficiencies of 99.97% and 98.6%, respectively. When several atoms are loaded in the microscopic trap we observe a sub-Poissonian distribution of the number of atoms due to light-assisted collisions in the presence of near-resonant light. A study of these collisions in our particular case (microscopic trap) reveals extremely high loss rates approaching the theoretical Langevin limit. Finally, we demonstrate that the loading of the microscopic trap is more efficient when we superimpose on this trap a second macroscopic trap, which we use as an atom reservoir. This reservoir allows us to load the micro trap from the macro trap in the absence of any near-resonant light, thus avoiding light-assisted collisions.The loading of the micro trap from the macro trap leads to optimal initial conditions for forced evaporation towards Bose-Einstein condensation with about ten atoms only. After evaporation we reach phase-space densities approaching the degenerate regime.

Les atomes neutres sont des candidats prometteurs pour la réalisation et l’étude d’états intriqués à quelques dizaines de particules. Pour générer de tels états, une approche consiste à utiliser le mécanisme de blocage dipolaire résultant des fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg.Suivant cette approche, cette thèse présente la conception et la caractérisation d’un dispositif expérimental permettant de manipuler des atomes de 87Rb individuels piégés dans des pinces op- tiques microscopiques, et à les exciter vers des états de Rydberg. Un environnement électrostatique stable et des électrodes de contrôle permettent une manipulation fine de ces états. Avec deux pinces optiques séparées de quelques microns, nous démontrons le blocage de Rydberg entre deux atomes, et nous observons leur excitation collective.Enfin, en opérant en régime de blocage partiel, nous développons une méthode permettant de mesurer l’interaction de van der Waals ∆E = C6 /R6 entre deux atomes séparés par une distance R contrôlée. Les coefficients C6 obtenus pour différents états de Rydberg sont en bon accord avec des calculs théoriques ab initio, et nous observons l’augmentation spectaculaire de l’interaction en fonction du nombre quantique principal n de l’état de Rydberg. / Neutral atoms are promising candidates for the realization of entangled states involving up to a few tens of particles. To generate such states, one approach consists in using the dipole blockade mechanism, which results from the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms.Following this approach, this thesis describes the design and the characterization of an experimental apparatus allowing to manipulate single 87Rb atoms trapped in microscopic optical tweezers, and to excite them towards Rydberg states. A stable electrostatic environment and controlled electrodes enable the fine manipulation of these states. Using two optical tweezers separated by a few microns, we demonstrate the Rydberg blockade between two single atoms, and we observe their collective excitation.Finally, by operating in the partial blockade regime, we develop a method allowing to measure the van der Waals interaction ∆E = C6 /R6 between two atoms separated by a controlled distance R. The C6 coefficients obtained for various Rydberg states agree well with ab initio theoretical calculations, and we observe the dramatic increase of the interaction with the principal quantum number n of the Rydberg state.

Single-atom catalysts (SACs) with metal–nitrogen (M–N) sites are one of the most promising electrocatalysts for electrochemical carbon dioxide reduction (ECO₂R). However, challenges in simultaneously enhancing the activity and selectivity greatly limit the efficiency of ECO₂R due to the improper interaction of reactants/intermediates on these catalytic sites. Herein, we report a carbon-based nickel (Ni) cluster catalyst containing both single-atom and cluster sites (NiNx-T, T = 500–800) through a ligandmediated method and realize a highly active and selective electrocatalytic CO₂R process. The catalytic performance can be regulated by the dispersion of Ni–N species via controlling the pyrolysis condition. Benefitting from the synergistic effect of pyrrolicnitrogen coordinated Ni single-atom and cluster sites, NiNx-600 exhibits a satisfying catalytic performance, including a high partial current density of 61.85 mA cm⁻² and a high turnover frequency (TOF) of 7,291 h⁻¹ at −1.2 V vs. RHE, and almost 100% selectivity toward carbon monoxide (CO) production, as well as good stability under 10 h of continuous electrolysis. This work discloses the significant role of regulating the coordination environment of the transition metal sites and the synergistic effect between the isolated single-site and cluster site in enhancing the ECO₂R performance.