Nous présentons l'étude de la diffraction en incidence rasante d'atomes de rubidium froids sur une onde évanescente. Cette étude a été effectuée en incidence normale, en utilisant une onde évanescente périodique glissante pour simuler l'incidence oblique. En s'appuyant sur un modèle non scalaire utilisant des transitions Raman stimulées entre sous-niveaux Zeeman de l'atome, nous avons expliqué le signe et le nombre des ordres de diffraction observés. Les rôles primordiaux de la polarisation des composantes de l'onde évanescente et de l'état interne initial de l'atome ont également été montrés. De plus, l'étude de l'efficacité de diffraction a révélé une modulation que nous interprétons comme le résultat d'interférences entre plusieurs trajectoires atomiques dans l'onde évanescente. Les calculs utilisant le modèle semi-classique de Landau-Zener (à 2 ou 3 niveaux) ou la résolution numérique de l'équation de Schrödinger (à 2, 3 ou 5 niveaux) ont permis de confirmer la phase et la période des oscillations obtenues, et en particulier leur grande sensibilité à l'interaction de van der Waals entre l'atome et la paroi diélectrique. Nous présentons par ailleurs l'étude d'un miroir pour atomes paramagnétiques constitué d'un réseau de fils parcourus par un courant. La hauteur du potentiel réflecteur associé au champ magnétique du miroir a été mesurée en fonction de l'état interne de l'atome. De plus, en mesurant la distribution angulaire des atomes après rebond, le caractère non-spéculaire de la réflexion a été mis en évidence et interprété par une rugosité du miroir. L'influence de la parité du nombre de fils sur cette rugosité a été démontrée ainsi que celle de la direction du champ magnétique directeur. Cette rugosité a pu être réduite grâce à l'utilisation de fils de compensation.

Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.

Au voisinage de la condensation de Bose-Einstein, les propriétés collisionelles d'un gaz dilué d'hélium métastable He* dans l'état 23S1 sont gouvernées par les collisions auto-ionisantes de type Penning, et par la longueur de diffusion en onde s, notée "a". Nous avons mesuré "a" par photoassociation à deux photons formant une molécule contenant deux atomes métastables He* dans l'état le moins lié du potentiel d'interaction entre deux atomes métastables polarisés de spin. La mesure de l'énergie de liaison de cette molécule par résonance noire atomes-molécules permet d'en déduire la longueur de diffusion "a", que l'on a pu déterminer avec une grande précision (a = 7. 5105 ± 0.0025 nm), et qui ne dépend que très peu de la théorie : c'est donc une mesure directe. De plus, la durée de vie des molécules créées par spectroscopie à deux photons est liée à l'ionisation Penning entre les deux atomes He* qui la composent. Sa mesure permet de mieux comprendre le mécanisme de ce type de collisions.

Un gaz froid d'hélium métastable ($2(^3S_1)$) polarisé est un candidat possible pour l'observation de la condensation de Bose-Einstein. Des études théoriques prédisent que le taux de collisions Penning, obstacles à l'obtention de hautes densités spatiales, est réduit de plusieurs ordres de grandeur du fait de la polarisation de l'échantillon. Cette réduction doit permettre d'observer la transition de phase à une température autour du $\mu$K. La polarisation est obtenue expérimentalement en piégeant les atomes magnétiquement. La longueur de diffusion théorique élevée de l'hélium dans l'état $2(^3S_1)$ permet d'espérer un refroidissement évaporatif efficace dans le piège magnétique. Cette thèse résume les prédictions théoriques sur les collisions inélastiques et élastiques entre atomes d'hélium métastables et décrit le dispositif expérimental conduisant au chargement du piège magnétique. La technique choisie est basée sur le pré-refroidissement laser des atomes par ralentissement d'un jet par laser assisté par effet Zeeman, suivi d'un piégeage magnéto-optique et d'une phase de mélasse optique. Une première limitation expérimentale sur la densité spatiale que l'on peut atteindre appara\^(i)t au cours de cette étape. Elle est due aux collisions inélastiques assistées par la lumière laser. Le nuage pré-refroidi est ensuite transféré dans le piège magnétique. Deux réalisations expérimentales de ce piégeage magnétique sont présentées. La première, démonstration de principe, est réalisée dans un quadrup\^(o)le. La deuxième est obtenue dans un piège de Ioffe-Pritchard. A ce stade de l'expérience, on dispose d'un échantillon magnétique contenant $5\times 10^7$ atomes à une température de 200 $\mu$K, avec une durée de vie de 20 s.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d'un dispositif de condensation de Bose-Eistein combinée à la mise en place d'une pince optique pour le transport du condensat. L'intérêt de ce dispositif est de séparer la zone de production du condensat de sa zone d'étude. Il a été conçu en vue d'expériences d'interférométrie à base d'ondes de matière cohérentes, guidées dans des structures lumineuses générées à partir de la pince optique.<br />Un effort particulier a été apporté tant au niveau de l'optique qu'au niveau de la génération de champs magnétiques afin de disposer d'un échantillon cohérent d'atomes de grande stabilité. L'utilisation d'un électroaimant hybride (combinaison d'une structure ferromagnétique pour générer le champ quadrupolaire et de bobines ordinaires pour le champ dipolaire) nous a permis d'une part, de bénéficier de forts gradients magnétiques nécessaires au bon déroulement de l'évaporation radio-fréquence et d'autre part, de faciliter la compensation des champs rémanents inhérents à l'usage de matériaux ferromagnétiques. A l'issue du cycle de condensation, nous obtenons typiquement 5.10^5 atomes à 300 nK. L'implémentation de la pince optique sur les atomes a nécessité le développement d'une technique d'alignement originale, une imagerie directe de la pince n'étant pas envisageable. Finalement, nous sommes parvenus à transférer 2.10^5 atomes à 1 µK dans la pince. Par ailleurs, une étude du profil de déplacement de la pince pour le transport a été effectuée.

Les expériences présentées dans ce mémoire ont été effectuées sur des atomes de Césium piégés dans un réseau lumineux non dissipatif produit par deux faisceaux d'un laser Nd:YAG. Verticalement, les atomes sont confinés dans des micro-puits indépendants au fond de chaque maximum d'intensité et le confinement horizontal est assuré par la forme gaussienne des faisceaux. Le fort confinement vertical nous a permis, en mettant au point un refroidissement optique par bandes latérales, d'accumuler environ 95% des atomes dans l'état fondamental du mouvement dans la direction verticale. A partir de cet état quantique pratiquement pur, nous avons produit d'autres états quantiques et, grâce à une technique d'imagerie en absorption, nous avons visualisé directement leur distribution en vitesse. Tout d'abord, nous avons réalisé le premier état excité du mouvement des atomes dont la distribution en vitesse s'annule en v=0. Nous avons ensuite réalisé des états non stationnaires du mouvement et visualisé l'évolution temporelle de leur distribution en vitesse. Ainsi, l'évolution d'une superposition des deux premiers niveaux vibrationnels et celle d'états comprimés ont été enregistrées. Les états comprimés sont, comme l'état fondamental, des états d'incertitude minimum (Delta p Delta z=\hbar/2) mais leur distribution en impulsion est plus fine que celle de l'état fondamental. Une réduction d'un facteur 4 a été obtenue. En appliquant le refroidissement du mouvement vertical pendant un temps long, grâce au transfert d'énergie du mouvement horizontal au mouvement vertical assuré par les collisions, nous avons refroidi le mouvement dans les trois directions. Nous avons ainsi obtenu une température d'environ 3 microKelvin pour laquelle 80\% des atomes sont dans l'état fondamental du mouvement vertical. Enfin, une étude de temps de thermalisation montre que la résonnance de diffusion à énergie nulle du Cesium n'est pas affectée par le fort confinement vertical.

L'information quantique et ses protocoles de cryptographie, de téléportation et de calcul ont trouvé dans les sources quantiques de lumière un ensemble d'outils à très fort potentiel. Les sources de photons uniques déclenchées en font évidement partie, tout comme les sources de photons jumeaux, sur lesquelles reposent l'émission de photons annoncés ou la production de paires de photons intriqués en polarisation. Les sources quantiques de lumière ne cessent de trouver de nouvelles applications comme par exemple l'intrication conditionnelle d'émetteurs de photons uniques par la mesure conjointe des photons qu'elles émettent, l'augmentation d'intrication de faisceaux EPR ou encore le stockage de photons uniques dans des vapeurs atomiques.<br /><br />L'ensemble de mes activités de recherche s'inscrit dans ce mouvement. Mes travaux ont porté en grande partie sur les sources de photons uniques et les sources de paires de photons, ainsi que leurs applications à la cryptographie quantique, à la téléportation quantique et au calcul quantique. Mes travaux s'ouvrent maintenant sur la suite: variables continues, mémoires quantiques et téléportation d'états non classiques sont probablement les prochaines étapes.

Le transfert d'électron associé au transfert de proton ou à la coupure de liaison est un processus omniprésent dans les systèmes naturels et biologiques. Comprendre les enjeux mécanistiques impliqués dans le fonctionnement de ces systèmes permet de les exploiter et de pouvoir les imiter. Deux systèmes bio-inspirés ont été étudiés par électrochimie directe, l'oxydation d'une paire de base guanine-cytosine et la réduction d'un cycloperoxyde assistée par la présence d'un groupe donneur de proton. Le premier système associe le transfert d'électron au transfert de proton alors que le second illustre le couplage entre le transfert d'électron et de proton et la coupure de liaison. L'appariement entre les bases de l'ADN par liaison hydrogène n'a aucun effet sur la cinétique et la thermodynamique de l'oxydation de la guanine. La réaction est cinétiquement contrôlée par la première étape du transfert électronique et le mécanisme impliqué est séquentiel. La coupure réductrice de la liaison O-O du cycloperoxyde assistée par la présence d'un groupe donneur de proton est comparée à un autre système où la fonction acide carboxylique est remplacée par un groupe méthoxy. Un décalage de 700 mV est observé entre les potentiels de pic des deux composés indiquant que le gain thermodynamique offert par l'étape de protonation est exprimé dans la cinétique de la réaction. Par conséquent le transfert d'électron dissociatif et le transfert de proton sont tous concertés. Un nouveau modèle cinétique simplifié a été établie pour décrire la dynamique de ce type de mécanisme appelé " tout concerté ".

Dans cette thèse, après une introduction où nous présentons brièvement la physique des forces de Casimir, nous montrons nos résultats obtenus pendant le doctorat. D'abord, nous montrons notre travail sur les interactions de van der Waals / Casimir-Polder lorsque le système est dans une configuration hors équilibre à cause du mouvement uniformément accéléré des atomes. Nous étudions le système de deux atomes uniformément accélérés dans le vide quantique quand ils sont dans leur état fondamental ou dans un état corrélé (un atome excité et un atome dans son état fondamental). Nous analysons ce système avec un modèle heuristique semi-classique et une méthode plus rigoureuse qui nous avons étendu à partir d'une procédure générale développée dans la littérature. Nous trouvons un changement de la dépendance de l'interaction de la distance en raison de l'accélération. Nous montrons que les forces de Casimir-Polder entre deux atomes uniformément accélérés en mouvement relativiste, qui interagissent avec le champ scalaire, présentent une transition à partir d'un comportement thermique à courtes distances, comme prédit par l'effet Unruh, à un comportement non thermique à longues distances, associé à la rupture de la description inertielle et locale du système. En plus, lorsque le cas d'atomes qui interagissent avec le champ électromagnétique quantique est considéré, on constate que de nouvelles caractéristiques apparaissent dans l'interaction.Ensuite, nous présentons notre travail sur un nouveau couplage opto-mécanique d'un miroir oscillant de façon efficace avec un gaz d'atomes de Rydberg, médié par la force atome-miroir dynamique de Casimir-Polder. Nous constatons que ce couplage peut produire une excitation de résonance atomique de champ proche, qui n'est pas liée à l'excitation des atomes par les quelques photons réels attendus de l'effet Casimir dynamique. Dans des conditions expérimentales accessibles, cette probabilité d'excitation est importante (environ 20 %) et rend possible l'observation de ce nouvel effet Casimir-Polder dynamique. Donc nous proposons une configuration expérimentale réaliste pour réaliser ce système fait d'un gaz d'atomes froids piégés mis en face d'un substrat semi-conducteur, dont les propriétés diélectriques sont modulées dans le temps.Enfin, nous nous concentrons sur nos résultats obtenus pour le calcul de la pression Casimir-Lifshitz entre deux réseaux lamellaires diélectriques différents. Ce système est supposé dans une configuration hors équilibre thermique. En fait, les deux réseaux présentent deux températures différentes et ils sont immergés dans un bain thermique ayant une troisième température. Le calcul de la pression est basé sur une méthode qui exploite les opérateurs de diffusion des réseaux, déduits en utilisant la méthode modale de Fourier. Nous présentons nos résultats numériques caractérisant en détail le comportement de la pression, en faisant varier les trois températures et en modifiant les paramètres géométriques des réseaux. Cette variation des paramètres du système permet de régler la force de répulsive à attractive ou de réduire fortement la pression pour des intervalles de températures. En outre, on montre que la combinaison des effets de non-équilibre et géométriques rend ce système particulièrement intéressant pour l'observation de la force de Casimir répulsive. / In this thesis, after an introduction where we briefly present the general context of Casimir physics, we present the results obtained during the PhD. At first, we show our work about the van der Waals/Casimir-Polder interactions between two atoms in an out-of-equilibrium condition due to their uniformly accelerated motion. We study the system of two uniformly accelerated atoms in vacuum space, when they are in their ground-state and when they are in a correlated state (one excited and one ground-state atom). We analyze this system both with an heuristic semiclassical model and with a more rigorous method, based on a separation of radiation reaction and vacuum fluctuations contributions, that we extend starting from a general procedure known in literature. We find a change of the distance-dependence of the interaction due to the acceleration. We show that Casimir-Polder forces between two relativistic uniformly accelerated atoms, interacting with the scalar field, exhibit a transition from the short-distance thermal-like behavior predicted by the Unruh effect to a long-distance nonthermal behavior, associated with the breakdown of a local inertial description of the system. In addition, we obtain new features of the resonance interaction in the case of atoms interacting with the quantum electromagnetic field.Next, we present our work about a new optomechanical coupling of an effectively oscillating mirror with a Rydberg atoms gas, mediated by the dynamical atom-mirror Casimir-Polder force. We find that this coupling may produce a near-field resonant atomic excitation not related to the excitation of atoms by the few real photons expected by dynamical Casimir effect. In accessible experimental conditions, this excitation probability is significant (about 20%) making the observation of this new dynamical Casimir-Polder effect possible. For this reason, we propose a realistic experimental configuration to realize this system made of a cold atom gas trapped in front of a semiconductor substrate, whose dielectric properties are periodically modulated in time.Finally, we focus on our results obtained for the Casimir-Lifshitz pressure between two different dielectric lamellar gratings. This system is assumed to be in an out-of-thermal-equilibrium configuration, i.e. the two gratings have two different temperatures and they are immersed in a thermal bath having a third temperature. The computation of the pressure is based on a method exploiting the scattering operators of the bodies, deduced using the Fourier modal method. In our numerical results we characterize in detail the behavior of the pressure, both by varying the three temperatures and by changing the geometrical parameters of the gratings. In this way we show that it is possible to tune the force from attractive to repulsive or to strongly reduce the pressure for large ranges of temperatures. Moreover, we stress that the interplay between nonequilibrium effects and geometrical periodicity make this system particularly interesting for the observation of the repulsive Casimir force.

Les méta-matériaux sont une nouvelle classe de matériaux composites artificiels quiprésentent des propriétés inédites. Ils sont typiquement sous divisés en unité appelées méta-atomes.Un design approprié de ces méta-atomes, architecturés à l’échelle nanométrique, permet d’induire despropriétés aussi extraordinaires qu’un indice de réfraction négatif. Dans ce contexte, nous avonsdéveloppé des particules à patchs, capable de développer des interactions selon des directionsprédéterminées. Des clusters multipodiques fait de ces particules (diélectrique) entourées d’un nombrecontrôlé de satellites plasmoniques (or) ont été développés. Nous nous sommes focalisés sur desclusters isotropes, dérivant de géométries tétraédriques, octaédriques et icosaédriques (trois des cinqsolides de Platon). Pour cela, nous avons utilisé des clusters silice/polystyrène, obtenus parpolymérisation ensemencée en émulsion, qui ont servi de préformes. Ils ont ainsi permis d’obtenir desparticules dont les patchs sont en fait des fossettes au fond desquelles subsiste un résidu de chaînespolystyrène greffées. En modifiant chimiquement ces chaînes, nous avons permis soit l’accrochage aufond de ces fossettes de colloïdes d’or puis leur croissance, soit l’accostage de satellites de silice surlesquels nous avons ensuite fait croître une coquille d’or. La seconde voie à offert un meilleur contrôlede la morphologie des clusters et notamment de la distance entre les satellites d’or (quelquesnanomètres) qui est primordiale pour assurer un couplage plasmonique optimal. Les propriétés desclusters obtenus ont été modélisées et mesurées. / Metamaterials are a novel class of artificial composite materials, typically made of subunit called meta-atoms and exhibiting unusual properties. Such meta-atoms, have to be architecturedat the nanometric level, to induce as extraordinary properties as a negative refractive index. In thiscontext, we developed patchy particles, capable to create interactions along predetermined directions.Multipodic clusters made of those (dielectric) particles surrounded by a controlled number ofplasmonic satellites (gold) were developed. We focused on isotropic clusters deriving fromtetrahedral, octahedral and icosahedral geometry (three of the fifth Platonic solids). For that purpose,we used silica/polystyrene clusters, obtained from seeded emulsion polymerization, as template. Byderiving those clusters, patchy particles bearing dimples containing grafted residual polystyrene chainswere obtained. By chemically deriving those chains, we explored two synthetic pathways, thedecoration of the dimples with gold colloids subsequently grown or the anchoring of silica satellitesonto which gold shells were subsequently grown. The second one was prove to offer a better controlover the cluster morphology as well as the inter-satellites gap (few nanometer) which is pivotal toensure an optimal plasmonic coupling. Then, the optical properties of the as obtained clusters weresimulated and measured.