L'objet de cette thèse est de présenter une nouvelle mesure de la masse du pion en utilisant la spectroscopie X de l'hydrogène pionique et des résultats de spectroscopie de l'argon et du soufre héliumoïdes. La nouvelle masse du pion a été mesurée avec une précision 30% supérieure à la moyenne mondiale actuelle, c'est-à-dire égale à 1.7 ppm. Elle a été obtenue par spectroscopie de Bragg des transitions 5 -> 4 de l'azote pionique en utilisant les prédictions théoriques de QED. Je présente le calcul de la structure hyperfine et celui de la correction de recul du noyau pour les atomes pioniques au moyen d'une nouvelle méthode de perturbation de l'équation Klein-Gordon.Le spectromètre utilisé pour cette mesure a été caractérisé grâce aux transitions relativistes des atomes héliumoïdes produits dans un nouveau type de source d'ions à résonance cyclotronique des électrons. Les spectres haute statistique de ces ions permettent de mesurer les énergies de transition avec une précision de quelques ppm, ce qui permet de tester, avec un degré de précision jamais atteint, les prédictions théoriques. L'émission de rayons-X des atomes pioniques et des ions multichargés peut ainsi être utilisée pour la définition de nouveaux étalons de rayons-X de quelques keV.

Cette thèse présente des résultats théoriques sur le chaos dans les systèmes quantiques. Dans sa première partie, nous étudions la dynamique du rotateur pulsé. Ce système, qui est la référence pour l'étude du chaos quantique, présente un gel de la diffusion en impulsion, appelé localisation dynamique. Celle-ci est un phénomène purement quantique basé sur des interférences destructives.<br /><br />Comme tout phénomène d'interférence, la localisation dynamique est affectée par l'émission spontanée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode basée sur la spectroscopie Raman, pour limiter l'impact de l'émission spontanée. Nous menons une étude analytique complète de la dynamique, en très bon accord avec nos simulations numériques.<br /><br />Du fait de sa périodicité temporelle, le rotateur pulsé présente aussi des résonances quantiques, qui sont l'analogue de l'effet Talbot optique. En décrivant ces résonances dans l'espace des positions, nous en donnons une image simple et intuitive, basée sur des notions classiques comme la force.<br /><br />Les condensats de Bose-Einstein ont ouvert la voie à l'obtention de phénomènes quantiques nouveaux. La non-linéarité de leur équation d'évolution permet notamment l'observation du chaos quasi-classique. Nous proposons ici une méthode pour le détecter, basée sur la mesure de la position moyenne du condensat. Cette méthode, dont la validité est confirmée par les exposants de Lyapunov du système, permet de distinguer sans équivoque les trajectoires chaotiques et régulières.

Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.

Le refroidissement évaporatif d'un nuage d'atomes de rubidium ultra froids a été étudié dans le cadre d'un piégeage radio-fréquence dans un champ magnétique inhomogène de type Ioffe-Pritchard. Contrairement à la situation rencontrée dans les pièges magnétiques statiques où une transition radio-fréquence à un photon est utilisée pour contrôler la hauteur du piège, nous montrons qu'une transition à plusieurs photons est nécessaire pour contrôler la hauteur d'un piège habillé par un champ radio-fréquence. L'efficacité de l'évaporation n'est pas identique pour toutes les transitions : une transition à deux photons s'est avérée la plus efficace par rapport aux autres. Des résultats préliminaires de refroidissement évaporatif sont discutés. La dégénérescence quantique, qui est le but poursuivi dans le refroidissement évaporatif, n'a pas été atteinte, la très grande anisotropie du piège rendant pratiquement impossible la thermalisation à l'intérieur du piège. La dégénérescence quantique dans un piège radio-fréquence très anisotrope pourrait être satisfaite par la transformation adiabatique vers ce piège à partir d'un condensat de Bose-Einstein produit dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard. Les expériences qui ont été réalisées dans ce sens ont été négatives : les fréquences latérales du pièges radio-fréquences sont trop basses pour assurer une transformation adiabatique en un temps raisonnable pour l'expérience. La fin de la thèse expose des résultats préliminaires de piégeage d'atomes dans une configuration magnétique quadrupolaire, cette dernière configuration conduisant à des fréquences d'oscillation de piège plus élevées dans les directions latérales.

Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec comme leitmotiv la condensation de Bose-Einstein à deux dimensions. Pour confiner très fortement les atomes dans une direction, nous avons utilisé deux approches différentes. Dans un premier temps, nous avons projeté d'utiliser deux champs évanescents, ce qui permet de réaliser des gradients de champ très importants. Avec cet objectif, nous avons produit un condensat et mis au point une méthode de transfert vers le piège à ondes évanescentes. La production d'un condensat à 3 mm seulement d'une surface a constitué une première. Nous avons réalisé une série d'expériences impliquant une seule onde évanescente, qui ont montré que la surface du diélectrique présentait une rugosité trop importante pour confiner efficacement les atomes en dimension 2. Cette étude nous a permis en revanche de caractériser très précisément l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface. Nos expériences ont confirmé quantitativement la théorie de Carsten Henkel et al., ce qui est un point important pour les expériences, de plus en plus nombreuses, menées à proximité directe d'une surface. Nous avons également montré que la diffraction était toujours clairement observable malgré la forte diffusion, lors du rebond d'un condensat sur un miroir modulé.<br /><br />Dans un second temps, sur la proposition d'Oliver Zobay et Barry Garraway, nous avons mis au point une nouvelle approche pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut être largement contrôlée, y compris dynamiquement. Ces potentiels RF permettent de réaliser une « bulle » à atomes, un double puits, un anneau... Nous nous sommes intéressés principalement à produire un piège quasi bidimensionnel dans l'épaisseur de la bulle. Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent être refroidis par évaporation in situ. Nos premières expériences impliquant des champs radiofréquence ont eu un impact important dans la communauté des atomes froids, en particulier pour les expériences sur puce. A la suite de nos travaux, de nombreuses équipes ont utilisé cette technique avec succès.

Le laser aléatoire est un nouveau type de laser, dont les propriétés d'émission sont basées sur la diffusion multiple de lumière dans un milieu désordonné, en présence de gain. Nous avons comme projet de réaliser un tel laser aléatoire, avec comme milieu à gain un nuage d'atomes froids de 85Rb, piégés dans un piège magnéto-optique. Cette thèse présente les premières étapes de recherche, portant sur les processus de gain dans le nuage d'atomes. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement trois types de gain : le gain Mollow, le gain Raman, et le mélange à quatre ondes. L'existence de ces gains nous permet de produire de façon classique un laser, en plaçant le nuage d'atomes dans une cavité Fabry-Pérot ; ce qui représente une étape préliminaire, et essentielle, dans la réalisation d'un laser aléatoire. D'autre part, une étude est menée sur le comportement de la lumière diffusée par le nuage d'atome en présence de gain.

Les fontaines atomiques constituent le développement le plus abouti des horloges atomiques fondées sur l'atome de césium, atome dont une résonance hyperfine est depuis 1967 à la base de la définition la seconde. Ces systèmes sont aujourd'hui parmi ceux qui réalisent la seconde avec la meilleure exactitude. Nous présentons les dernières avancées de la fontaine double à atomes froids de césium et de rubidium du LNE-SYRTE. Combinant deux types d'atomes, ce dispositif unique au monde permet d'envisager des tests de physique fondamentale reposant sur la comparaison de fréquences de transition atomique avec une résolution exceptionnelle. Afin d'autoriser le fonctionnement à deux atomes simultanément, nous avons conçu, testé et mis en place de nouveaux systèmes optiques, chargés de mettre en forme et combiner les lumières utiles à la manipulation des deux espèces atomiques. Sans attendre le fonctionnement double, par la comparaison de notre fontaine rubidium avec une autre fontaine césium, nous avons pu tester sur dix ans la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 5x10^-16 par an. Nous avons poursuivi le travail d'amélioration de l'exactitude de l'horloge et focalisé nos efforts sur les effets liés aux gradients de phase dans la cavité d'interrogation et sur l'atténuation des fuites micro-ondes. L'exactitude de la fontaine a alors été évaluée à 4x10^-16 pour la partie césium et 5x10^-16 pour la partie rubidium complètement rénovée. Instrument de métrologie puissant, notre fontaine a été impliquée dans de nombreuses comparaisons d'horloges et a contribué à maintes reprises à l'étalonnage du Temps Atomique International. Nous avons également pu mener avec elle un test inédit de l'invariance de Lorentz.

Ce travail est consacré à l'étude quantique du couplage du spin collectif d'un ensemble d'atomes avec le champ électromagnétique.<br /> Nous avons généré des états comprimés du champ par interaction non-linéaire en cavité avec un nuage d'atomes froids de césium se comportant comme un milieu Kerr.<br /> Nous montrons ensuite expérimentalement que l'état quantique d'un faisceau lumineux peut être transféré à une cohérence Zeeman de grande durée de vie par transparence induite électromagnétiquement dans une vapeur de césium. Deux quadratures du champ qui ne commutent pas sont stockées simultanément puis relues sans leur ajouter de bruit.<br /> Enfin, deux protocoles sont proposés pour réduire directement les fluctuations quantiques du moment angulaire collectif d'un ensemble d'atomes, soit en exploitant les non-linéarités apparaissant lors d'un piégeage cohérent de population, soit par l'intermédiaire de mesures quantiques non-destructives d'alignement utilisant un couplage linéaire par effet Raman.

Ce mémoire rassemble des résultats concernant le transport ondulatoire dans les systèmes complexes. La première partie concerne les systèmes quantiques dont la dynamique classique est chaotique, comme par exemple l'atome d'hélium ou l'atome d'hydrogène en champ magnétique intense. A partir d'études, soit d'un point de vue statistique (distribution des écarts d'énergie), soit d'un point de vue semi-classique (formule de trace), on peut caractériser l'impact de la dynamique chaotique sur les propriétés quantiques. La deuxième partie concerne la propagation d'onde dans les milieux désordonnés. Dans le cas de la diffusion de la lumière par des nuages de diffuseurs ponctuels (atomes froids...), j'étudie l'impact des effets non-linéaires, d'une part sur les phénomènes de localisation comme la rétro-diffusion cohérente et, d'autre part sur la stabilité dynamique des figures de speckle.

La thèse porte sur le développement de méthodes numériques pour résoudre l'équation de Schrödinger dépendante du temps. Nous nous sommes d'abord intéressés à la collision électron-hydrogène. L'originalité de la méthode repose sur l'utilisation d'une grille radiale à pas variable, définie par interpolation de Schwartz à l'aide d'une fonction de référence coulombienne. Cette grille permet de reproduire un grand nombre d'états liés de l'atome d'hydrogène ainsi que les éléments de matrice de divers opérateurs à la précision numérique de l'ordinateur. La propagation temporelle est effectuée par un algorithme Split-Operator. L'efficacité de la méthode permet de propager la fonction d'onde sur de très grandes distances et les calculs sont réalisés pour toutes les ondes partielles. Les sections efficaces d'excitation et d'ionisation obtenues sont en excellent accord avec les meilleurs résultats expérimentaux et théoriques. Nous avons ensuite adapté la méthode et la chaîne de programmes associée à l'étude des collisions réactives atome-dihydrogène. Le paquet d'ondes est décrit en coordonnées de Jacobi des produits, à l'aide d'une grille régulière pour les coordonnées radiales et d'un développement sur des polynômes de Legendre pour la partie angulaire (onde partielle S). L'analyse est réalisée par transformation de Fourier temps-énergie et fournit, en un seul calcul, les résultats sur toute la gamme d'énergie couverte par le paquet d'ondes initial. La méthode a d'abord été testée sur la réaction quasi-directe (F,H2) et ensuite appliquée à la réaction indirecte (C(1D),H2). Les probabilités de réaction d'état à état sont en très bon accord avec celles obtenues par une approche indépendante du temps. En particulier, pour la collision (C(1D),H2), la structure extrêmement résonante de ces probabilités est bien reproduite.