Il est possible de déterminer le rapport h/mRb à partir de la mesure précise de la vitesse de recul vr= hbar k/mRb d'un atome de Rubidium qui absorbe ou émet un photon, associée à une connaissance précise de la longueur d'onde du photon. Nous déduisons du rapport h/mRb une valeur de la constante de structure fine.<br />Afin de mesurer précisément la vitesse de recul de l'atome, nous lui transférons de façon cohérente un très grand nombre d'impulsions de recul à l'aide de la méthode des oscillations de Bloch. Un senseur inertiel interférométrique de type Ramsey-Bordé symétrique à base de transitions Raman stimulées sélectives en vitesse permet de mesurer par effet Doppler, la variation de vitesse des atomes. Nous présentons une nouvelle détermination de la constante de structure fine présentant une incertitude statistique de 3 ppb. Un étude détaillée des effets systématiques est présentée. L'incertitude associée aux effets systématiques est de 3,4 ppb. L'incertitude finale résultant de cette nouvelle détermination de la constante de structure fine est de 4,6 ppb. Il s'agit de la détermination de la constante de structure fine la plus précise, indépendante de l'électrodynamique quantique.

Cette thése porte sur l'étude des relations entre la symétrie des boîtes quantiques de semiconducteur auto-assemblées III-V et II-VI (QDs, anglais quantum dots) et leurs propriétés optiques. L' intrication de polarisation d'une paire de photon émise dans la cascade biexciton-exciton d'une boîte quantique d'InGaAs a été récemment démontrée par deux groupes [1, 2]. En principe, l'éclatement de structure fine (FSS, anglais fine structure splitting) du niveau fondamental d'un exciton neutre, qui caractérise l'anisotropie native des boîtes quantiques, doit être inférieur à la largeur des raies radiatives. Dans le cas contraire, la collection de photons intriquées nécessite une post-sélection draconienne, qui réduit fortement l'effcacité d'une telle source [2]. Une technique fiable permettant un tel contrôle de la structure fine est fortement souhaitable afin d'envisager de futures applications des boîtes quantiques comme source des photons intriqués en polarisation. Dans ce but, l'application d'une perturbation externe semble être une technique très prometteuse. Différentes stratégies pour lutter contre cette levée de dégénérescence ont été abordées par divers groupes de recherche ces derniµeres années : (i) effectuer un traitement post-croissance tel qu'un recuit pour modifier les propriétés structurale des boîtes [3, 4]), (ii) appliquer une perturbation externe comme par exemple une contrainte uni-axiale [5], en vue de compenser l'anisotropie, (iii) chercher à produire une dégénérescence fortuite en appliquant un champ magnétique transverse [6]. C'est cette dernière méthode qui en 2006 a donné les résultats les plus probants, en démontrant le contrôle du degré d'intrication des photons émis par une boîte quantique unique. C'est donc dans un contexte d'intense compétition internationale que nos propres travaux ont été menés. Nous nous sommes concentrés sur l'exploration de deux effets: (i) la déformation par un champ électrique externe de la fonction d'onde des excitons de boîtes quantique [7], (ii) le déplacement Zeeman des niveaux excitoniques par un champ magnétique transverse pouvant conduire µa une dégénérescence accidentelle des deux niveaux d'exciton [8].<br />Le premier Chapitre 1 (Introduction: quantum dots for entangled photons emission) sert à introduire brièvement les propriétés fondamentales des boîtes quantiques de semiconducteur. Nous donnerons une description simple de leurs états électroniques, suffisantes pour discuter les propriétés optiques de ces objets et bien comprendre le rôle que joue l'anisotropie des boîtes. En particulier la levée de dégénérescence des niveaux excitoniques sera décrite ainsi que ses conséquences pour l'émission de photons intriqués en polarisation.<br />Dans le Chapitre 2 (Samples and Experimental setups) nous décrirons les échantillons de boîtes quantiques étudiés au cours de cette thèse, à savoir des boîtes InAs/GaAs et CdTe/ZnTe. Nous présenterons les procédés technologiques utilisés pour réaliser des structures à effet de champ en vue de l'application d'un champ électrique. Enfin les différents montages expérimentaux de micro-photoluminescence seront détaillés.<br />Dans la partie suivante (Chapitre 3, Influence of electric field on quantum dots) nous présenterons des résultats de spectroscopie de boîtes quantiques individuelles dans un champ électrique. La levée de dégénérescence des excitons est reliée µa l'interaction anisotrope d'échange entre électron et trou laquelle dépend sensiblement de la forme de la fonction d'onde excitonique. Un champ électrique semble être un bon moyen pour modifier cette dégénérescence et donc éventuellement l'annuler. Le champ est d'abord appliqué dans le plan des boîtes, géométrie qui semble la plus propice à changer la symétrie des fonction d'ondes. Selon la direction du champ par rapport aux axes principaux des boîtes il devrait être possible d'augmenter ou diminuer le FSS. Par la technologie de contacts sur des matériaux d'III-V (structures de diode n-Schottky et Schottky-Schottky) il nous a été possible d'appliquer le champ électrique avec succµes sur des boîes quantiques. Des changements systématiques de l'anisotropie optique de la luminescence étaient obtenus [7]. Ceux-ci sont le fruit de deux effets concurrents : la modification prévue de la symétrie des fonction d'ondes et la modification du recouvrement des fonctions d'onde d'électron et trou. Le dernier effet devrait toujours mener a la réduction de l'interaction d'échange. Afin d'estimer sa valeur nous avons exécuté des expériences dans une configuration de champ électrique parallèle à la direction<br />de croissance des QDs. Dans cette configuration le champ ne semble pas devoir modifier significativement la symétrie des fonctions d'ondes pour un électron et un trou. Les changements de structure fine devraient être provoqués principalement par la séparation spatiale des porteurs. Les variations observées dans le champ vertical étaient plus petites que pour la configuration dans le plan, ce qui confirme notre hypothµese. Mais pour autant, l'asymétrie observée en renversant le sens du champ électrique indique aussi que le champ vertical produit un effet sur la symétrie des excitons [9]. Ceci se comprend assez bien car le champ électrique vertical déplace les porteurs par rapport aux régions de forte anisotropie des boîtes quantiques situées au dessus et au dessous du coeur de la boîte.<br />Les changements de FSS dans le champ horizontal qui on été obtenus, sont relativement grands (comparable au décalage Stark), mais l'utilité de cette méthode reste limitée par la diminution d'intensité (due à la séparation spatiale des porteurs, et à leur ionisation hors des boîtes par échappement tunnel). Toutefois, l'annulation complète de la structure vine a été observée sur quelques boîtes quantiques possédant une anisotropie initiale faible. <br />D'autres mesures sur les complexes excitoniques tels que biexciton et trions nous ont permis de déterminer la position spatiale relative d'un électron et d'un trou à l'intérieur d'une boîte [9]. Les études de l'influence du champ électrique sur les propriétés optiques de boîtes II-VI ont été limitées à des observations liées aux fluctuations de champs électriques locaux, responsables de variations noncontrôlées de la structure fine excitonique [10].<br />Le Chapitre 4 (Influence of magnetic field on quantum dots) est consacré à la description de l'influence du champ magnétique externe sur l'émission des boîtes. Pour des boîtes II-VI, la technologie de fabrication d'électrodes n'étant pas disponible, l'application d'un champ magnétique mérite vraiment d'être explorer. Nous avons expérimentalement observé que pour des boîtes CdTe/ZnTe les changements de FSS dépendent de l'amplitude et de la direction du champ magnétique appliqué. Pour le champ appliqué oblique aux axes principaux d'une boîte nous avons noté une rotation de la polarisation d'émission. L'explication de ces résultats repose sur le couplage très particulier entre les états "brillants" et les états "noirs" dans la configuration de champ transverse, comme le montre un modèle théorique de l'interaction Zeeman dans cette configuration. Il faut pour cela introduire un facteur de Landé transverse non nul pour les trous, ce qui suggère d'inclure le mélange de bande entre trous lourds et trous légers. Nous avons obtenu une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et la théorie [8]: qualitative en ce qui concerne la rotation de la polarisation et de l'intensité des raies de luminescence, et quantitative pour l'évolution des niveaux d'énergie et de la structure fine. Très important d'un point de vue théorique, ont été prises en considération non seulement la direction du champ par rapport aux axes des boîtes, mais également par rapport aux axes du cristal. Le formalisme théorique était nécessaire pour comprendre comment le champ magnétique peut modifier la dégénérescence du spin dans certains cas seulement, et pour expliquer le rôle de l'anisotropie du facteur g transverse des états de trou. Les mesures dans le champ longitudinal ont quant-à elles fourni des informations sur le facteur g longitudinal des excitons. Elles montrent la gamme de champ pour laquelle l'anisotropie de QD devient négligeable par rapport a l'énergie Zeeman, conditions dans lesquelles on obtient l'émission des états propres bien polarisés circulairement.<br />Les études de la rotation du spin de l'exciton considéré comme un système a deux niveaux sont présentées dans le Chapitre 5 (Towards entanglement) dans l'optique principale d'étudier sa cohérence quantique. En premier lieu, nous montrons la disparition de cette précession quand l'éclatement de structure fine est annulée grâce µa un champ électrique: cela se manifeste par une résonance de l'orientation optique du spin de l'exciton sous excitation quasi-résonnante. La largeur de cette résonance permet de remonter de manière très originale à la largeur de raie homogène de la boîte quantique. Réciproquement, on observe que pour des boîtes quantiques avec une forte levée de dégénérescence, on peut réaliser l'alignement optique des excitons par une excitation résonnante (assistée par un phonon LO) polarisée linéairement et parallèlement aux axes de la boîte quantique. De manière plus générale, en fixant la polarisation de l'excitation et en variant la base de détection de la polarisation de la luminescence, nous mettons en évidence de forts effets de conversion de la polarisation (circulaire en linéaire et réciproquement) provoquées par la précession du spin de l'exciton dans le champ magnétique effectif (champ externe + interaction d'échange anisotrope). Ces effets sont la preuve que l'exciton garde parfaitement sa cohérence quantique aux échelles de temps de la luminescence. Tous les résultats présentés sont en bon accord avec une description théorique basée sur le formalisme de la matrice densité. <br />Le dernier Chapitre 6 (Conclusions) présente un sommaire des résultats obtenus. Les études expérimentales et modélisations théoriques confirment que les perturbations externes, comme le champ électrique et magnétique, peuvent être utilisées pour modifier la structure des niveaux excitoniques des boîtes afin de contrôler leurs propriétés optiques. Les études détaillées de la direction de perturbation par rapport aux axes de l'anisotropie nous ont permis de comprendre les mécanismes de l'influence de ces champs sur les niveaux excitoniques. Le contrôle de la structure fine donne une chance d'augmenter la symétrie pour améliorer le degré d'intrication des pairs de photons corrélés émis par un biexciton.<br /><br />[1] R. J. Young et al,. New J. Phys., 8:29, 2006.<br />[2] N. Akopian et al., Phys. Rev. Lett., 96:130501, 2006.<br />[3] R. J. Young et al., Phys. Rev. B, 72:113305, 2005.<br />[4] A. I. Tartakovskii et al., Phys. Rev. B, 70:193303, 2004.<br />[5] S. Seidl et al., Appl. Phys. Lett., 88:203113, 2006.<br />[6] R. M. Stevenson et al., Phys. Rev. B, 73:033306, 2006.<br />[7] K. Kowalik et al., Appl. Phys. Lett., 86:041907, 2005.<br />[8] K. Kowalik et al., Phys. Rev. B, 75:195340, 2007.<br />[9] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:3890, 2006.<br />[10] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:865, 2006.<br />[11] A. Kudelski et al., J. Lumin., 112:127, 2005.

Du fait de leur grande exactitude, les comparaisons de fréquences atomiques permettent de réaliser des tests très contraignants des lois fondamentales de la physique. Les développements récents liés à l'utilisation d'atomes froids, aux progrès des étalons optiques de fréquence et au perfectionnement des méthodes de mesure des fréquences optiques, permettent de prévoir une amélioration très significative de ces tests. Dans ce mémoire, on montre d'abord comment des comparaisons de fréquences atomiques permettent de tester le Principe d'équivalence qui est à la base de la Relativité Générale. Plus précisément, ces comparaisons constituent des tests de la stabilité de certaines constantes fondamentales comme la constante de structure fine. La suite du mémoire décrit le développement d'une fontaine à atomes froids de césium 133 et de rubidium 87 permettant de comparer les fréquences hyperfines de ces deux atomes. L'amélioration de l'exactitude des horloges passe par la compréhension des effets systématiques qui influent sur leur fréquence. Dans ce mémoire, l'accent est mis sur l'étude des effets dépendant du nombre d'atomes qui fait l'objet de la troisième partie. Suit une description détaillée du montage de la fontaine puis des méthodes de comparaisons entre horloges atomiques de ce type. Les résultats expérimentaux sont regroupés dans une dernière partie. Ce travail a permis de mesurer les effets dépendant du nombre d'atomes dans le cas du rubidium avec une résolution relative de 4*10^-16. Les exactitudes obtenues avec le rubidium et le césium sont de 2*10^-15} et 1*10^-15 respectivement. La meilleure stabilité de fréquence obtenue est de 3.5*10^-14*tau^-1/2. Les comparaisons de fréquences réalisées conduisent à un test de stabilité de la constante de structure fine au niveau de 7.3*10^-15 par an, une résolution 5 fois meilleure que celle des précédents tests du même type.

Dans les plasmas chauds et denses, la contribution des phénomènes radiatifs au transfert d'énergie est souvent prédominante. L'opacité de ces plasmas a donc une incidence majeure sur leur structure et leur évolution. En principe, le calcul raie par raie de l'opacité spectrale permet d'obtenir les résultats les plus précis, mais il nécessite souvent une grande quantité de ressources. À l'inverse, les méthodes statistiques de calcul d'opacité sont capables de prendre en compte un très grand nombre d'états excités, mais elles ne restituent pas les raies détaillées et ne sont pas toujours adaptées à des calculs destinés à la spectroscopie. L'objectif de la thèse est de calculer l'opacité de plasmas chauds en combinant ces deux approches. La méthode présentée a rendu possible le couplage d'un code de calcul d'opacités avec un code de structure atomique. Le modèle développé a été utilisé pour l'interprétation de spectres expérimentaux (laser, Z-pinch) et des pistes d'optimisation sont envisagées.

La constante de Rydberg $\ R_\infty = \alpha^2 m_{ e} c^2/2hc \$ est déduite d'une comparaison théorie - expérience très précise sur l'atome d'hydrogène. Les derniers calculs d'électrodynamique quantique menés de différentes façons donnent des résultats similaires validant ainsi l'exactitude des termes calculés. Les écarts entre niveaux de l'atome d'hydrogène sont maintenant très bien connus grâce aux mesures faites en unité de fréquence. Ainsi la constante de Rydberg fait partie des constantes fondamentales les mieux déterminées $\Delta R_\infty / R_\infty = 6.6 10^{-12}$. Cependant pour que la comparaison soit complète, il faut connaître indépendamment la valeur de la distribution de charge du proton. Ceci peut être réalisé via une expérience sur l'hydrogène muonique (dans cet atome exotique, l'électron est remplacé par un muon). Après une introduction sur la comparaison théorie - expérience pour l'atome d'hydrogène, les derniers développements de l'expérience sur l'hydrogène muonique sont présentés.<br /><br />La mesure du recul induit par un photon sur un atome de masse M conduit à une détermination pertinente de la constante de structure fine $\alpha$ en utilisant la constante de Rydberg, et les rapports des masses de l'électron, du proton, de l'atome considéré. Dans cet optique, nous avons développé une nouvelle expérience d'oscillations de Bloch avec des atomes de rubidium ultra-froids. Le principe de l'expérience est exposé brièvement tout en insistant sur l'originalité de notre approche. Les premiers résultats métrologiques obtenus très récemment sont présentés.

L’hélium, deuxième élément le plus abondant de l’univers après l’hydrogène (He/H ~ 1/10), n’a étonnamment jamais été observé sous une autre forme que celle d'atomes neutres ou ionisés dans le milieu interstellaire (MIS). L’hélium étant un gaz noble peu réactif, sa non-observation au sein d’un édifice moléculaire neutre est compréhensible mais cela est plus surprenant pour des espèces chargées positivement comme HeH+, [HeH3]+ ou CHe2+. La première partie de cette thèse a pour but de proposer des raisons chimiques à cette non-observation à l’aide de calculs de chimie quantique de haut niveau (CASPT2) couplés à des calculs d’association radiative. Au vu des résultats sur les mécanismes de destruction de HeH+, nous suggérons une zone du MIS où il serait envisageable de le détecter.La seconde partie de ce travail porte sur la possibilité de détection de variations temporelles des constantes fondamentales de la physique. En 1999, Webb et al., après analyse de la lumière issue de quasars lointains, affirmèrent que la constante de structure fine α pouvait avoir été plus faible par le passé. Aucune étude postérieure ne vint confirmer ce résultat. Il était donc important de déterminer théoriquement dans quelle mesure une telle variation affecterait le spectre électronique de petites molécules primordiales afin d’en évaluer la détectabilité par les instruments actuels. Nous avons pour cela mis au point un protocole ab initio qui évalue le décalage spectral induit par une variation d’α. Les calculs (niveau MRCI) montrent qu’une variation d’α de l’ordre de grandeur de ce que Webb et al. auraient détecté induirait des déplacements de raies non décelables par les télescopes actuels. / Despite Helium is the second most abundant element in the Universe (He/H ~ 1/10), it has never been observed in any other forms than that of an atom or an ion in the InterStellar Medium (ISM). Since He is a noble gas, its non-observation as part of neutral molecular systems is understandable, but it is quite surprising for positively charged species like HeH+, [HeH3]+ or CHe2+. The first part of this study aims at finding a chemical reason for such a non-observation and in particular for the three ions mentioned above. For that purpose, we have computed high level quality (CASPT2) energy hyper-surfaces and performed radiative association calculations. Finally, we are able to suggest a region of the ISM where the detection of HeH+ might be achieved.The second part of this work deals with the possibility that the fundamental constants could be time-dependent. In 1999, Webb et al., analyzing the quasar emissions, claimed that the fine structure constant α could have been smaller in the past, but this result has not been confirmed. Thus it seemed necessary to determine theoretically how much such a variation could affect the electronic spectra of some primordial molecules in order to determine whether such variations might be detectable or not with the current observational instrumentation. For that purpose, we have developed an ab initio protocol to evaluate the shift induced by a variation of α. High level quantum chemistry calculations (MRCI) show that a variation of α of the same order of magnitude than that reported by Webb et al., would induce shifts that are not detectable by the current telescopes.

Cette thèse décrit une expérience de mesure de<br />la vitesse de recul Vr d'un atome. Cette mesure permet de<br />déduire le rapport h/M, où h désigne la constante de Planck<br />et M la masse de l'atome considéré, afin d'obtenir la valeur<br />de la constante de structure fine. Le principe de<br />l'expérience est le suivant. A partir d'un nuage d'atomes froids,<br />nous sélectionnons une classe de vitesse subrecul à l'aide d'une<br />transition Raman. Ensuite, nous accélérons les atomes de manière<br />cohérente à l'aide d'une onde stationnaire dans le référentiel de<br />l'atome (cet effet est analogue aux oscillations de Bloch en<br />physique du solide). Enfin, nous mesurons la vitesse finale des<br />atomes par une nouvelle transition Raman. La connaissance des<br />vitesses finale et initiale nous permet de remonter à la quantité<br />de mouvement transférée et donc à la vitesse de recul de l'atome.<br />Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats de ce<br />travail expérimental.

Il est possible, à partir de la mesure de la vitesse de recul d'un atome qui absorbe un photon, de déterminer le rapport h/m entre la constante de Planck et la masse de l'atome étudié et d'en déduire une valeur de la constante de structure fine alpha. Pour effectuer cette mesure, nous utilisons la méthode des oscillations de Bloch qui nous permet de transférer un grand nombre de reculs aux atomes. Un senseur intertiel, basé sur des transitions Raman sélectives en vitesse, nous permet alors de mesurer la quantité de mouvement transférée aux atomes. Une mesure présentant une incertitude statistique de 4,4 ppb, ainsi qu'une étude des différents effets systématiques (5 ppb), nous a permis d'obtenir une determination de alpha avec une incertitude de 6,7 ppb. Cette incertitude est comparable à l'incertitude des meilleures déterminations de alpha basées sur l'interférométrie atomique.

Ce travail de thèse se développe autour de trois expériences. La première concerne la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de rubidium. Dans le cadre de l'étude détaillée des effets systématiques, tels que la phase de Gouy ou l'effet Zeeman quadratique, nous avons développé une nouvelle source laser compacte et puissante (12W@780nm) permettant de réduire l'effet de la phase de Gouy d'un facteur 4. La deuxième expérience a porté sur la démonstration d'un nouveau schéma de gravimètre compact, s'appuyant sur les oscillations de Bloch pour faire léviter les atomes. Une mesure de l'accélération locale de la pesanteur a été réalisée avec une sensibilité préliminaire très prometteuse de 4.7E-7 g en 1s. La troisième expérience a permis d'obtenir un interféromètre atomique symétrique grâce à la technique de double diffraction Raman. Nous avons réalisé la chaîne de fréquences et le montage optique pour l'intégration de séparatrices à grand transfert d'impulsion (LMTBS) à base d'oscillations de Bloch. / This work developed around three experiments. The first one concerned the measurement of the ratio h/m between Planck's constant and rubidium atomic mass. We have carried out a thorough study of systematic effects, such as the Gouy phase or the quadratic Zeeman effect. The development of a new compact and high-power laser source (12W@780nm) allowed to decrease the effect of Gouy phase by a factor of 4. The second experiment revolved around the realization of a compact and precise gravimeter, using Bloch oscillations to maintain atoms against gravity. This allowed for a measurement of local gravity acceleration with a promising preliminary sensitivity of 4.7E-7 g in 1s. Finally, the third experiment consisted in the realization of the double diffraction technique, with the aim of implementing Bloch-oscillation-based large momentum transfer beamsplitters.

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein. / This research work fulfilled as part of my PhD project involved to design, build and characterise a new experimental setup based on an atom source by evaporative cooling in an optical dipole trap. It goes after the improvement of the uncertainty on the measurement of the ratio h/m between Planck’s constant and the rubidium atom mass, reducing the Gouy phase and wavefront curvature.In a first step we have studied several optical configurations to optimise the dipole trap loading: the 50 W beam at 1070 nm is shaped in a double 93 µm waist reservoir and one crossed 20 µm waist dimple. After having optimised and caracterised the evaporative process, we obtained one Bose-Einstein condensate.Furthermore, for Raman interferometry, we set up a new laser system at 1560 nm based on frequency doubling. We developed a double cervo loop: on the one hand, it allows to phase lock the two laser sources, and on the other hand to correct phase noise accumulated in fibered amplifiers.Today, our new experimental setup is ready to perform atom interferometry on a Bose-Einstein condensate.