Depuis les années 1975, les atomes de Rydberg sont étudiés et maintenant utilisés en information quantique pour leurs propriétés particulières d’interaction. Cependant, ces objets physiques peuvent se retrouver impliqués dans différentes autres applications, où leurs caractéristiques remarquables en font de parfaits outils. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons à deux applications distinctes faisant intervenir des atomes de Rydberg de césium. Tout d’abord, nous verrons comment utiliser de tels atomes pour produire une source d’électrons monocinétiques, grâce au mécanisme d’ionisation singulier de ce type d’atomes à une valeur précise de champ électrique dépendante du niveau d’excitation. Les électrons ainsi produits sont ensuite extraits et leur dispersion en énergie mesurée. On montrera notamment de façon théorique et d’après les premières mesures expérimentales réalisées pendant la thèse, que l’on peut espérer obtenir une dispersion en énergie des électrons produits par cette technique de l’ordre du meV, résolution jamais atteinte à ce jour. Ce type de source devient aujourd’hui un outil indispensable pour accéder à la mise au point et l’étude de nouveaux matériaux par contrôle de réactions chimiques à l’échelle moléculaire, et à la cartographie des phonons. Dans un second temps, nous verrons qu’il est possible de désexciter un nuage d’atomes de Rydberg de niveaux variés grâce à une source externe dans le domaine térahertz. Ce projet s’inscrit dans le cadre des expériences d’étude de l’antimatière menées actuellement au CERN, qui visent à élucider le mystère de l’asymétrie matière/antimatière. Les méthodes actuelles de production de l’antihydrogène, forment des nuages de ces anti-atomes dans différents états de Rydberg. Pour les étudier, il est alors nécessaire de désexciter le plus d’atomes d’antihydrogène possible vers le niveau fondamental. Nous présenterons la méthode envisagée, ainsi que les résultats obtenus expérimentalement sur un dispositif créé pendant la thèse pour montrer la faisabilité de la technique. Ces premiers résultats montrent qu’il est possible d’accélérer la désexcitation d’un atome de Rydberg sur un état très élevé grâce à une lampe se comportant comme un corps noir. Nous détaillerons les améliorations envisagées, en particulier pour adapter le spectre des fréquences THz à utiliser et empêcher la photoionisation des atomes, par des filtres ou par le façonnage spectral via l’utilisation d’un photomixer. / Since 1975, Rydberg atoms have been studied and now used in quantum information for their particular interaction properties. However, these physical objects can be involved in various other applications, where their remarkable characteristics make them perfect tools. In this paper, we will focus on two distinct applications involving cesium Rydberg atoms. First, we will see how to use such atoms to produce a source of monocinetic electrons, thanks to the singular ionization mechanism of this type of atoms at a precise value of electric field dependent on the excitation level. The electrons thus produced are then extracted and their energy dispersion measured. Theoretically and according to the first experimental measurements made during the thesis, we will show that we can hope an energy dispersion of the electrons produced by this meV technique, a resolution never reached before. Today, this type of source is becoming an indispensable tool for the development and study of new materials by molecular scale chemical reaction control and for phonon mapping. In a second step, we will see that it is possible to de-energize a cloud of Rydberg atoms of various levels thanks to an external source in the tera-hertz domain. This project is part of the ongoing anti-matter experiments at CERN, which aim to unravel the mystery of the matter/anti-matter asymmetry. The current methods of production of antihydrogen, forms clouds of these anti-atoms in different Rydberg states. To study them, it is then necessary to de-energize as many antihydrogen atoms as possible to the fundamental level. We will present the method envisaged, as well as the results obtained experimentally on a device created during the thesis to show the feasibility of the technique. These first results show that it is possible to accelerate the deenergization of a Rydberg atom on a very high state thanks to a lamp behaving like a black body. We will detail the improvements envisaged, in particular to adapt the spectrum of the THz frequencies to use and prevent the photoionization of atoms, by filters or by spectral shaping via the use of a photomixer.

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire. / This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field.

Le nucléon est décrit par QCD comme étant constitué de trois quarks de valence (de saveur up et down) et d'une mer constituée de gluons et de paires de quark – antiquark de toutes saveurs. Le quark étrange est le meilleur candidat pour l'étude de cette mer dont la contribution à la structure du nucléon est à l'heure actuelle mal connue. Il est en effet le plus léger des quarks n'ayant pas de contribution de valence. Expérimentalement, cette étude est effectuée dans trois secteurs différents reliés à la masse, aux distributions de charge et de courant du nucléon, et au spin du nucléon. Cette thèse présente les expériences G0 au laboratoire Thomas Jefferson (USA) et SAMPLE au laboratoire MIT-Bates qui mesure l'asymétrie de violation de parité en diffusion élastique d'électrons polarisés sur une cible de nucléons. De ces mesures, il est possible d'extraire la contribution étrange aux distributions de charge et de courant dans le nucléon ainsi que le facteur de forme axial du nucléon. Dans ce manuscrit, nous décrivons le formalisme relatif à la sonde électrofaible et donnons également un panorama des différentes prédictions théoriques. Nous avons étudié l'origine des changements systématiques des propriétés du faisceau d'électrons et développé des systèmes de correction permettant de réduire leurs effets au niveau de l'expérience. Nous détaillons le dispositif expérimental de l'expérience G0 ainsi que les études de bruit de fond et leurs implications sur la stratégie expérimentale. Nous présentons finalement le dispositif expérimental de l'expérience SAMPLE et l'analyse des données qui a permis de déterminer le facteur de forme axial du nucléon. Cette quantité est peu contrainte par les prédictions théoriques dû aux contributions des ordres supérieurs de diffusion difficilement calculables théoriquement. Ce facteur de forme intervenant dans la mesure d'asymétrie de violation de parité, sa détermination expérimentale est importante.

L'objet de cette thèse est la caractérisation d'une source d'électrons uniques subnanoseconde réalisée à partir d'une boîte quantique dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Nous avons tout d'abord mis en évidence la quantication du courant alternatif moyen en unités de 2ef, où f est la fréquence d'excitation de la source, lorsque la tension appliquée compense l'énergie d'addition de la boîte. Cette quantication correspond à l'injection d'un unique électron et d'un unique trou par période du signal excitateur, au début de chaque alternance. Le temps de sortie des charges, mesuré expérimentalement, est contrôlé par la transmission de la barrière tunnel entre la boîte et le réservoir. Nous avons ensuite construit un dispositif cryogénique original de mesure de bruit haute fréquence extrêmement sensible et très stable, qui nous a permis de mesurer le bruit de la source d'électrons uniques. Nos résultats sont en très bon accord avec deux modèles théoriques que nous avons développés. Le premier est un modèle de diusion que nous avons adapté à l'étude de notre source, permettant l'étude numérique du bruit en fonction d'un grand nombre de paramètres. Le second est un modèle heuristique simple, permettant de mieux comprendre les origines physiques du bruit observé. Nous avons ainsi identié un régime de bruit de grenaille, lorsque la charge émise par demi-période est très petite devant 1. À l'inverse, lorsque la charge émise par demi-période est proche de 1, le modèle prédit un régime de bruit de phase correspondant à l'incertitude quantique sur l'instant de sortie des charges. L'accord observé avec les mesures conrme l'émission de charges uniques par notre source dans certains régimes. Celle-ci sera ensuite utilisée pour réaliser des expériences similaires à celles de l'optique quantique avec des électrons uniques.

Cette thèse est consacrée à la manipulation d'excitations mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique, par l'implémentation d'expériences d'optique quantique électronique avec la résolution d'une charge élémentaire. Une capacité mésoscopique produit à la demande des excitations monoélectroniques dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique. Nous mesurons les fluctuations de courant après partitionnement des excitations sur une lame séparatrice électronique, dans un analogue de l'expérience de Hanbury-Brown & Twiss, afin de révéler les excitations neutres (paires électron/trou) qui peuvent accompagner la charge produite. Les excitations thermiques dans la mer de Fermi sont alors responsables d'interférences à deux particules qui permettent d'obtenir des informations sur la distribution en énergie des quasiparticules émises par la source. A l'aide de deux sources indépendantes et synchronisées, nous générons deux quasi-particules indiscernables, qui interfèrent sur une lame séparatrice dans un analogue de l'expérience de Hong-Ou-Mandel. La visibilité de ce phénomène est possiblement limité par la décohérence des paquets d'ondes électroniques par interaction avec l'environnement, notamment les autres canaux de bords. En mesurant le couplage capacitif entre deux canaux de bords co-propageant, nous caractérisons les effets de l'interaction coulombienne et mettons en évidence un mode neutre de propagation. Ces expériences constituent les premières implémentations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques, et permettent d'envisager des expériences plus complexes comme la tomographie d'un paquet d'onde mono-électronique.

Cette thèse est dédiée à l'analyse de signaux électriques quantiques dans les canaux de bords de l'effet Hall quantique. En particulier, j'ai utilisé l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong, Ou et Mandel pour réaliser des expériences d'interférométrie à deux particules. En entrée de l'interféromètre sont placées des sources d'électrons uniques qui permettent l'injection contrôlée d'excitation ne contenant qu'une seule particule. Les canaux de bords guident ces excitations jusqu'à l'interféromètre. Il s'agit d'un contact ponctuel quantique qui agit comme une lame semi-réfléchissante pour les électrons. On mesure en sortie les fluctuations basse fréquence du courant. Cela nous permet de mesurer le recouvrement entre les fonctions d'onde à un électron émises à chaque entrée. Grâce à cette mesure de recouvrement, j'ai pu caractériser à des échelles de temps sub-nanoseconde, le rôle des interactions Coulombienne sur la propagation de l'électron unique. J'ai pu montrer que ces interactions étaient la source principale de la décohérence du paquet d'onde mono-électronique et qu'elles décomposent l'électron sur des modes collectifs. C'est une manifestation de la fractionalisation de l'électron qui apparaît dans les systèmes uni-dimensionnel en interactions. Grâce à cet interféromètre, j'ai pu aussi implémenter un protocole de tomographie qui permet de reconstruire toute les informations à une particule de n'importe quel signal émis dans le canal de bord. / This thesis is dedicated to processing of quantum electronic signals in the edge channels of the integer quantum Hall effect. In particular, I used the electronic analogue of the Hong, Ou and Mandel interferometer to realize two particle interference measurements. The interferometer consists of a quantum point contact (QPC) that acts as an electronic beam-splitter. The inputs are fed by single electron sources whose single particle excitations are guided toward the QPC by quantum Hall edge channels. We measure low frequency current noise in one of the output to measure overlaps of first order coherence functions. With this interferometer I could characterize on short time scales the role of Coulomb interactions on single electron propagation. I could show that interactions are the main source of decoherence of the single particle wave packet and that the electron decomposes into collective modes. This is due to fractionalisation which is a hallmark of interacting unidimensional systems. Thanks to this interferometer I could also implement a universal tomography protocol to dissect all single particle information of any arbitrary current. This enables the study of non-classical propagating state.

Cette thèse est consacrée à l'étude des corrélations de courant de faisceaux mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique. Nous utilisons une capacité mésoscopique comme source d'électrons uniques afin d'émettre à la demande des charges dans un canal de bord de l'effet Hall quantique. En présence d'une forte tension d'excitation radiofréquence, la source émet périodiquement un électron unique suivi d'un trou, générant un courant alternatif quantifié en unités de 2ef_0, où f_0 est la fréquence d'excitation. Nous avons mesuré le bruit émis par la source, et mis en évidence une limite de bruit haute fréquence fondamentale, appelée jitter quantique, qui est la signature de l'émission de charges uniques. Les mesures sont en très bon accord avec un modèle heuristique décrivant le système comme une source d'électrons uniques parfaite, ainsi qu'avec un modèle plus raffiné de diffusion des ondes électroniques. Nous avons également mesuré les autocorrélations des fluctuations du courant après partition par un contact ponctuel quantique jouant le rôle de lame séparatrice électronique. Cette géométrie, analogue électronique de l'expérience de Hanbury-Brown et Twiss en optique quantique, permet de quantifier la qualité de l'émission de particules uniques. Dans un conducteur balistique, cette géométrie permet en outre de compter le nombre d'excitations générées à chaque cycle, ainsi que de mesurer leur distribution en énergie. Ces deux expériences constituent les premières réalisations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques. Elles permettent d'envisager des expériences plus complexes, comme la collision de deux charges, et la tomographie d'un électron unique.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe. / This manuscript is devoted to the study of the decoherence of single electronic wavepackets injected in a balistic quantum conductor. The single electrons are emitted on-demand using a mesoscopic capacitor in the outer edge channel of the integer quantum Hall effect. Two independent and synchronized sources are located on the input arms of an electronic beam-splitter. The measurement of the current fluctuations (noise) in the output arms allows for the characterization of two-electron interferences occuring on the beam-splitter. This realizes the electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer. It appears that the contrast of the interference pattern depends on the shape of the emitted wavepackets. This loss of electronic coherence is caused by the capacitive coupling, due to the Coulomb interaction, between the outer edge channel and the other channels, which constitute a controlled environment for the outer channel. In order to validate this scenario, a second experiment has been realized. The mesoscopic capacitor is used in a different regime, in which it generates a collective charge density wave called edge magnetoplasmon. By characterizing the propagation of the edge magnetoplasmon as a function of frequency, one can probe the Coulomb interaction between the channels. The measurements show that this interaction is responsible for the appearance of two propagating eigenmodes: a fast charge mode and a slow neutral mode, and provide the determination of the slow mode velocity. The results of this second experiment are then used to establish that the reduction of the contrast observed in the HOM experiment is caused by this interchannel interaction. It is responsible for the destruction of the quasiparticles emitted by the source which fractionalize in charge pulses of charge e/2 along propagation. During the fractionalization process, the state generated in the outer channel gets entangled with the environment (other channels), hence reducing the contrast in the HOM experiment. More complex experiments, such as the tomography of the emitted electornic wavepacket to validate the full decoherence scenario, or the implementation of decoherence protection schemes can be envisioned in the future.

Cette thèse constitue une étude experimentale qui s'inscrit dans le cadre de l'interaction laser-plasma en régime relativiste. Le couplage du laser au plasma provoque l'apparition de nombreux phénomènes nonlinéaires tels que l'autofocalisation relativiste, les instabilités Raman, l'excitation et le déferlement d'ondes plasma. Dans ce régime dit du ``sillage automodulé'', ces effets se combinent et aboutissent à l'accélération des électrons du plasma à des vitesses relativistes. Dans une première partie, les effets nonlinéaires ont d'abord été étudiés. Une méthode originale utilisant des impulsions laser à dérive de fréquence a permis de mesurer la dynamique temporelle des instabilités Raman. Les résultats ont montré que l'instabilité Raman arrière a lieu sur le front montant de l'impulsion et que le Raman avant est plutôt situé en queue d'impulsion. L'autofocalisation a également été étudiée à l'aide d'un diagnostic d'ombroscopie. Les résultats ont montré que la puissance n'est pas le seul paramètre régissant l'autofocalisation: la durée de l'impulsion laser doit être comparée au temps de mouvement des particules dans le plasma: $\omega_p^{-1}$ pour les électrons et $\omega_{pi}^{-1}$ pour les ions. En particulier, lorsque la durée d'impulsion est trop courte, l'autofocalisation relativiste n'a pas lieu. Dans une deuxième partie, on discute de la production d'une source d'électrons relativistes (0 à 70 MeV) à partir d'un laser à 10 Hz (35 fs, 600 mJ). Cette source d'électrons brillante ($10^{10}$ électrons), à spectre Maxwellien et potentiellement courte (<100 fs) a été caractérisée et elle est donc disponible pour les applications. Finalement, la troisième partie décrit des expériences préparant l'accélération d'électrons à des énergies de l'ordre du GeV. En particulier, on a détaillé le guidage d'une impulsion Terawatt dans un canal de plasma, ainsi que la création de plasmas centimétriques dans des jets de gaz rectangulaires et supersoniques.