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.

Des atomes 87Rb ont été refroidis et piégés pour servir de cibles lors d'études de collisions avec des projectiles Na+ à 2 et 5 keV. La physique étudiée concerne le processus d'échange de charge. L'électron actif, qui est généralement l'électron le plus périphérique de l'atome cible, transite depuis la cible vers le projectile ionique. La cible ionisée s'appelle ion de recul. La technique utilisée pour appréhender cette physique est la technique MOTRIMS, qui associe un piège magnéto – optique et un spectromètre d'impulsion d'ions de recul. Le spectromètre sert à mesurer l'impulsion des ions de recul qui contient toute l'information de la collision : le Q de réaction (qui est la différence d'énergie potentielle de l'électron actif sur chacun de ses hôtes) et l'angle de diffusion du projectile. Le piège fournit des cibles extrêmement froides afin d'optimiser la mesure de l'impulsion et d'affranchir cette dernière de l'agitation thermique. Au travers d'expériences cinématiquement complètes, la technique MOTRIMS donne accès à de meilleures résolutions sur les mesures d'impulsion. Des mesures de sections efficaces différentielles en états initiaux et finaux de capture et en angle de diffusion ont été réalisées. Les résultats obtenus pour les sections efficaces différentielles en états initiaux et finaux sont globalement en accord avec la théorie et une autre expérience. Néanmoins, des désaccords avec la théorie et cette autre expérience apparaissent pour les mesures de sections efficaces doublement différentielles. Ces désaccords ne sont pas encore compris. La particularité du dispositif expérimental conçu et testé au cours de ce travail, à savoir un faible bruit de fond, permet une grande sensibilité aux canaux de capture faiblement empruntés et apporte ainsi une plus-value technique et scientifique par rapport aux travaux antérieurs.

L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur $g$, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de $16~10^{-9}$~g.

L'étude des atomes exotiques, où un électron de l'atome est remplacé par une autre particule de charge négative (π-, μ-, p , K-, Σ-, ...) peut fournir des informations sur la particule ou sur le noyau, ou encore sur l'interaction entre la particule et le noyau. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés, d'une part, aux atomes pioniques (π-14 N) dans le but de déterminer la masse du pion négatif avec une très bonne précision (4 ppm), et d'autre part, aux atomes antiprotoniques ( pp ) pour étudier l'interaction forte entre un nucléon et un antinucléon. A cet égard, un spectromètre de Bragg de haute résolution et une trappe cyclotron ont été utilisés. Avec sa capacité de fabriquer en grande quantité les atomes exotiques, la trappe cyclotron a fourni une source intense de rayons-X. Les cristaux courbes du spectromètre focalisant les rayons-X ont assuré un gain considérable en intensité. Grâce à leur résolution spatiale, les CCD utilisés comme détecteurs ont permis une détermination précise de l'angle de Bragg correspondant à la transition à mesurer. L'utilisation d'un milieu gazeux pour arrêter les pions a résolu l'ambiguité provenant de l'hypothèse sur le nombre d'électrons K recapturés de la cible. D'un autre côté, nous avons réalisé la première mesure directe du décalage et de l'élargissement hadroniques du niveau 2p dans l'hydrogène antiprotonique.

L'étude des atomes exotiques, où un électron de l'atome est remplacé par une autre particule de charge négative peut fournir des informations sur la particule ou sur le noyau, ou encore sur l'interaction entre la particule et le noyau. <br /><br />Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés, d'une part, aux atomes pioniques dans le but de déterminer la masse du pion négatif avec une très bonne précision (4 ppm), et d'autre part, aux atomes antiprotoniques pour étudier l'interaction forte entre un nucléon et un antinucléon. A cet égard, un spectromètre de Bragg de haute résolution et une trappe cyclotron ont été utilisés. Avec sa capacité de fabriquer en grande quantité les atomes exotiques, la trappe cyclotron a fourni une source intense de rayons-X. Les cristaux courbes du spectromètre focalisant les rayons-X ont assuré un gain considérable en intensité. Grâce à leur résolution spatiale, les CCD utilisés comme détecteurs ont permis une détermination précise de l'angle de Bragg correspondant à la transition à mesurer.<br /><br />L'utilisation d'un milieu gazeux pour arrêter les pions a résolu l'ambiguïté provenant de l'hypothèse sur le nombre d'électrons K recapturés de la cible. D'un autre côté, nous avons réalisé la première mesure directe du décalage et de l'élargissement hadroniques du niveau 2p dans l'hydrogène antiprotonique.

Le travail présenté porte sur les progrès récents d'expériences de spectroscopie atomique sur césium et francium, visant à des mesures précises de violation de parité (PV) dans ces atomes. Dans le cadre d'une “thèse en cotutelle”, le candidat s'est consacré d'une part aux mesures PV préliminaires (8% de précision) de l'actuelle expérience Cs au LKB à Paris, et d'autre part à la préparation d'un échantillon d'atomes radioactifs de Fr (production et piégeage) aux LNL (INFN) en Italie. Ces deux expériences sont à des stades très différents. Les mesures présentées pour le Cs s'inscrivent en fait dans la lignée d'un travail commencé en 1991, pour la détection de PV par émission stimulée. L'expérience italienne est par contre à ses débuts: pour pouvoir sonder les propriétés du Fr, instable, il faut d'abord produire et rassembler un nombre suffisant d'atomes. La conception de montages PV qui ont démontré leur validité sur le césium constitue une solide base de départ pour le cas du francium.

Dans ce mémoire, nous présentons des calculs d'énergie de transition <br />dans les ions lithiumoïdes et les atomes exotiques : 1) Les nouvelles <br />sources rendent possible la fabrication d'ions lourds fortement <br />chargés. Nous nous sommes intéressés à l'étude de la structure <br />hyperfine des ions lithiumoïdes. Cela nous permet d'examiner les <br />problèmes relativistes à plusieurs corps et la partie magnétique des <br />corrections d'Electrodynamique Quantique (QED). Dans les ions lourds, <br />ces dernières sont de l'ordre de quelques pour-cents par rapport à <br />l'énergie totale de la transition hyperfine. Nous avons également <br />évalué l'effet de Bohr-Weisskopf lié à la distribution du moment <br />magnétique dans le noyau. Nous avons calculé puis comparé ces <br />différentes contributions en incluant les corrections radiatives <br />(polarisation du vide et self-énergie) ainsi que l'influence du <br />continuum négatif. 2) Un atome exotique est un atome dans lequel un <br />électron du cortège est remplacé par une particule de même charge : <br />$\mu^(-)$, $\pi^(-)$, $\bar(p)$\ldots Des expériences récentes ont <br />permis de gagner trois ordres de grandeur en précision et en <br />résolution. Nous avons voulu améliorer la précision des calculs <br />d'énergies de transitions nécessaires à la calibration et à <br />l'interprétation dans deux cas : la mesure de paramètres de <br />l'interaction forte dans l'hydrogène anti-protonique ($\bar(p)$H) et <br />la détermination de la masse du pion grâce à l'azote pionique <br />($\pi$N). Nos calculs prennent en compte la structure hyperfine et le <br />volume de la distribution de charge de la particule. Nous avons <br />amélioré le calcul de la polarisation du vide qui ne peut plus être <br />traitée au premier ordre de la théorie des perturbations dans le cas <br />des atomes exotiques. Pour les atomes anti-protoniques, nous avons <br />également ajouté la correction du g-2. Elle provient du caractère <br />composite de l'anti-proton qui de ce fait possède un rapport <br />gyromagnétique g $\approx$ -5.5856 .

Dans ce travail, nous présentons l'effet de la corrélation sur les énergies de liaison totales de différents ions hautement chargés ainsi que sur les durées de vie de l'état métastable $^3P_2$ dans plusieurs gaz rares (Ne, Ar, Kr et Xe). Nous avons également établi l'expression du taux d'émission spontanée de deux photons dans les atomes à $N$-électrons sous une forme adaptée à la méthode Dirac-Fock multiconfigurée qui constitue l'une des approche possible du problème à plusieurs corps relativistes. De même, nous avons effectué des calculs d'énergie de transitions dans les atomes exotiques. Ces derniers sont des atomes où un électron du cortège électronique a été remplacé par une particule de même charge : $\mu^-$ ou $\pi^-$. Ces calculs ont eu deux objectifs, d'une part, établir des standards de calibration en énergie pour les transitions $X$ et, d'autre part de déterminer la masse du pion chargé $\pi^-$. Ces calculs nous ont conduits à déterminer le terme de Breit correspondant à l'interaction pion-électron afin d'obtenir des résultats plus précis.

La dynamique quantique dans un potentiel périodique a fait l'objet de nombreuses études depuis les travaux de Bloch, dans les années 30, portant sur la dynamique des électrons dans un solide cristalisé. Cette dynamique est expérimentalement observable à l'aide d'atomes refroidis. L'utilisation de potentiels optiques permet de synthétiser, de façon très souple, des formes variées de potentiels, périodique, stationnaire ou dépendant du temps. Outre la grande variété de potentiels accessibles, l'atout majeur présenté par ces systémes est l'absence de dissipation et de processus de décohérence. Le travail présenté s'inscrit dans cette perspective et propose une description théorique, simple et analytique, de la dynamique quantique dans un potentiel périodique dépendant du temps. Il est connu depuis les travaux de Zener (1934), que la dynamique quantique dans un potentiel périodique en escalier, contrairement à l'intuition classique, est un mouvement d'oscillations nommé Oscillations de Bloch. Nous montrons que lors d'une modulation harmonique du potentiel des phénomènes de résonance apparaissent entre la fréquence de modulation et la fréquence des oscillations de Bloch et engendrent un transport de la particule dans le réseau. Cette dynamique est alors interprétée comme une interférence quantique mettant ainsi en exergue le role fondamental des cohérences quantiques de l'état initial. La réalisation expérimentale récente (1995) de la condensation de Bose Einstein d'un gaz atomique permet d'obtenir un état quantique cohérent mésoscopique. Récemment, des oscillations de Bloch ont été observées à l'aide de tels Ètats. Nous montrons que, outre ces oscillations, le condensat dans un potentiel périodique en escalier présente des régimes dynamiques chaotiques. Notre description introduit une base d'états adaptée et nous pouvons alors décrire la dynamique comme une évolution hamiltonienne classique portant sur les amplitudes et phases des états introduits. Les couplages non-linÈaires entre les différents états engendrent, pour certains états initiaux, des dynamiques chaotiques au sens classique bien que le condensat de Bose Einstein soit un objet quantique.

Les performances d'un étalon de fréquence atomique dépendent étroitement du temps d'observation des atomes. L'interrogation d'atomes refroidis par laser dans une géométrie de fontaine permet d'obtenir des temps d'interaction d'une demie seconde. Cette durée peut être variée sur une plus large gamme en l'absence de gravité terrestre, dans un environnement spatial et doit fournir un meilleur compromis stabilité-exactitude. L'application de ce principe constitue une des motivations principales du projet PHARAO, qui participera à la mission spatiale ACES, prévue en 2006 à bord de la station spatiale internationale. La première partie de ce travail de thèse porte sur l'étude de la fontaine PHARAO, fonctionnant avec des atomes de Cs133. Cette horloge est issue de la transformation d'un prototype d'horloge spatiale testé en micro-gravité. Une évaluation détaillée de l'ensemble des déplacements de fréquence mène à une exactitude relative de 7,7 10^(-16), essentiellement limitée par les collisions entre atomes froids. Sa stabilité de fréquence est de 1,7 10^(-13)tau^(-1/2). Ces valeurs sont obtenues pour un fonctionnement avec 4 10^(5) atomes détectés fournissant un bon compromis stabilité-exactitude. Cette horloge transportable construite au BNM-SYRTE, a également fonctionné au MPQ à Munich (Allemagne). La collaboration entre les deux laboratoires a permis une amélioration d'un facteur ~10 sur l'exactitude de la mesure (1,8 10^(-14)) de la transition à deux photons 1S-2S de l'atome d'hydrogène. Ce mémoire présente dans une seconde partie, la caractérisation de sous ensembles de l'horloge spatiale PHARAO, en particulier la construction d'un prototype de diode laser à cavité étendue et le test de la symétrie de phase entre les deux zones d'interrogation de la cavité spatiale.