Rydberg-dressed ground state atoms are atoms with an electron off-resonantly excited to a very high energy state, i.e., a state of high principal quantum number n ≫ 1. This thesis investigates the quantum dynamics of interacting Rydberg-dressed ground state atoms trapped in several multi-well potential traps. Rydberg atoms are atoms with exaggerated properties. One of their most interesting properties is that they exhibit a strong and long-ranged interaction that can be tuned leading to a variety of different quantum behaviours. My work focuses on studying the effects of these interacting atoms when loaded in multi-well potential traps. Generally, multi-well systems are considered as the simplest example of a finite optical lattice structure. For this reason, this thesis covers three research topics that examine the effects of long-range interaction on Rydberg-dressed atoms trapped in several potential confinements. I begin, in the introduction, by discussing the theoretical background of relevance to this work. It starts with presenting the physics of Bose-Einstein condensate. Then, the fundamentals of the interaction between two-level atom and light are analytically studied. This study has the purpose of understanding both; the dressed interacting atoms and optical lattices. The definition, characteristics, and the nature of the interaction between Rydberg atoms are analysed afterwards. The second chapter examines the dynamics of an ensemble of interacting Rydberg- dressed atoms trapped in static, i.e., time-independent, multi-well potentials using a mean-field theoretical approach. I choose one-dimensional double- and triple-well in addition to a two-dimensional quadruple-well potentials. The time-dependent non-linear Gross-Pitaevskii equation is used to numerically explore the ensemble's quantum dynamics. Solving the dynamical differential equations along with tuning the strength of the applied long-range interaction shows that the behaviour of non-interacting Rydberg-dressed atoms does not differ conceptually according to the geometry of the trapping potential. However, this changes when the interactions are switched on where the shape of the confinement leads to interesting outcomes especially in the non-linear interacting limit, such as macroscopic quantum self-trapping. After investigating an ensemble of interacting Rydberg-dressed atoms in static multi-well potential traps, the second research topic examines the dynamical evolution of these atoms when loaded in a finite optical lattice using the extended Bose-Hubbard model. In this chapter, the atoms ensemble is assumed to be in a superfluid state where I investigate both, the order parameter when the Rydberg excitation laser is applied and the interference pattern of the condensates in different dimensions. The study shows the emerging long-range interactions lead to a rapid collapse of the superfluid order parameter and in general allow only for partial revivals. In addition, the interference experiments can directly reveal the interaction between Rydberg-dressed atoms. In the fourth chapter, the dynamics of Rydberg-dressed atoms trapped in a dynamical, i.e., time-dependent, potential confinement is presented. The dynamical trap is constructed such that it begins as a harmonic oscillator and ends as a double- well potential. The analysis investigates an ensemble of contact-interacting atoms via the time-dependent non-linear GP equation.

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The research included in this thesis comes in two main bodies. In the first, the focus is on intensity interferometric schemes, and I attempt to identify the types of correlations dominant in their operation. This starts with the, now rather historical, Hanbury Brown and Twiss setup from the 1950s and progresses to more recent interests such as ghost imaging and a variant of `quantum illumination', which is a quantum-enhanced detection scheme. These schemes are considered in the continuous variable regime, with Gaussian states in particular. Intensity interferometry has been the cause of a number of disputes between quantum opticians over the past 60 years and I weigh in on the arguments using relatively recent techniques from quantum information theory. In the second half, the focus turns away from the optical imaging and detection schemes, and onto quantum estimation -- multiparameter quantum estimation to be precise. This is an intriguing area of study where one has to carefully juggle tradeoffs in choosing both the optimal measurement and optimal state for performing an estimation in two or more parameters. I lay out a framework for circumventing some of the difficulties involved in this and apply it to several physical examples, revealing some interesting and at times counterintuitive features of multiparameter estimation.

Desenvolvemos neste trabalho, um formalismo alternativo de \"dois níveis\" sugerido por Cattani, para o cálculo dos alargamentos e deslocamentos de linhas espectrais produzidos por colisões, quando é valida a aproximação de impacto. Este formalismo foi usado para calcular alargamentos e deslocamentos eletrônicos de algumas linhas do átomo de hélio neutro em um plasma, para as quais, foi possível aplicar a teoria de \"dois níveis\". A contribuição das colisões iônicas aos alargamentos e deslocamentos das linhas espectrais foi avaliada, utilizando a aproximação quase estática de Griem, Baranger, Kolb e Oertel. Os resultados dos cálculos foram comparados com os resultados experimentais de Kelleher, Berg e colaboradores, Wulff e Diatta e com as previsões dos formalismos, convergente e de corte. / In this work we develop an alternative formalism of \"two levels\" suggested by Cattani to the calculation of widths and shifts of spectral lines produced by collisions, in the impact approximation. This formalism was used to calculate in a plasma the electronic widths and shifts of neutral helium lines for which is valid the \"two levels\" approach. To take into account the ions contribution to the widths and shifts of the lines, we have . used the quasistatic approximation of Griem, Baranger, Kolb and Oertel. Our theoretical predictions are compared with the experimental results of Kelleher, Berg and collaborators, Wulff and Diatta and also with the predictions of the convergent and cutoff formalisms.

Através do uso de pseudopotenciais e possível simplificarmos o calculo de estrutura eletrônica de átomos, moléculas ou sólidos, pois não ha necessidade de incluirmos os orbitais de caroço. Entretanto, tais pseudopotenciais ainda não foram utilizados em cálculos de espalhamento, havendo a necessidade de serem testados. Realizamos um estudo utilizando os pseudopotenciais de Bachelet, Hamann e Schluter em cálculos de espalhamento de elétrons por átomos, calculando phase shifts e seções de choque para momentos angulares 1=0, 1 e 2 com elétrons incidentes possuindo energia ate 5ry. Comparamos os resultados obtidos com o uso dos pseudopotenciais e do potencial de todos os elétrons, os quais se mostraram em ótimo acordo, existindo, porem, restrições na faixa de energia em que os cálculos podem ser realizados. Visamos, desta forma, simplificar o calculo de espalhamento por moléculas complexas. / Pseudopotentials allow an extraordinary simplification in the calculation of the electronic structure of atoms, molecules and crystals. Though they have benn used extensively for electronic structure calculations, little is known of their applicability to scattering. We made a study of the pseudopotentials of Bacheket, Hamann and Schlüter in the electron scattering by atoms, calculating phase-shifts and cross sections for angular moments 1=0,1 and energy up to 5Ry. We compare the results for the pseudopotential with the all-electron calculation. The agreement is very good in a broad energy band. We aim at simplifying the calculation of scattering by complex molecules where an all-electron calculation is impossible.

La première partie de ce mémoire est consacrée à l'étude d'une cavité gravitationnelle pour atomes de césium. L'élément principal de cette cavité est le miroir à atomes, formé d'une onde évanescente se propageant à la surface d'un prisme de verre. Une étude détaillée des propriétés du miroir et en particulier des phénomènes d'émission spontanée lors du rebond est menée. Les résultats expérimentaux obtenus dans notre groupe sont alors présentés et analysés. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'un processus Sisyphe élémentaire susceptible d'intervenir lors du rebond d'un atome sur le miroir. Lors de ce processus, une transition Raman spontanée entre les deux niveaux hyperfins de l'atome entraine un refroidissement particulièrement efficace. Ce refroidissement nous a permis l'observation de longs temps de vie dans la cavité gravitationnelle. Dans la troisième partie de ce mémoire, plus théorique, est proposé un mécanisme de chargement d'un gaz bidimensionnel d'atomes, mécanisme qui repose sur un processus Sisyphe semblable à celui étudié dans la partie précédente. Les atomes du gaz sont piégés au voisinage du prisme sur le niveau fondamental d'un potentiel de Morse réalisé à l'aide de deux ondes évanescentes. Nous montrons que ce mécanisme permet un chargement efficace du piège, et discutons brièvement des propriétés de statistique quantique attendus dans ce gaz bidimensionnel

Dans le champ de recherche très général de l'optique atomique, allant de la fabrication de lentilles par masques matériels, à l'interférométrie sur jet ou à partir d'un piège, nous avons développé une technique utilisant un miroir lumineux à onde évanescente à atomes et la gravité, permettant de générer de nombreux éléments optiques, dont la succession et le développement sont temporels. Il a notamment été possible de fabriquer des lentilles pour ondes atomiques, un modulateur de phase, des fentes de diffraction ainsi qu'un interféromètre à fentes d'Young dans le domaine temporel.

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La méthode des franges de Ramsey dans le domaine optique, nouvelle technique de spectroscopie laser sub-Doppler, est décrite en détail, à la fois théoriquement et expérimentalement. Nous proposons en particulier une nouvelle géométrie d'interaction pour les franges, qui comporte quatre ondes progressives au lieu des trois ondes stationnaires employées jusqu'à présent. Une description théorique simple permet de comparer les deux méthodes et de souligner les différences avec les échos de photons stimulés. Sur un plan expérimental, sont exposés les derniers développements du spectromètre de saturation à ultra-haute résolution fonctionnant dans la région spectrale de 9 à 11 microns, qui ont été réalisés en vue d'observer ces franges de Ramsey en cuve et sur un jet moléculaire : éléments optiques de grandes dimensions et de haute planéité, stabilisation en fréquence de lasers à CO2 conventionnels ou guides d'ondes au niveau de la dizaine de Hertz, verrouillage en phase de deux lasers, pilotage de l'expérience par ordinateur, et pouvoir de résolution de l'ordre de 5 x 10^10. Diverses applications de ces recherches, en particulier à la spectroscopie des structures fines, superfines et superhyperfines des toupies sphériques sont évoquées. Enfin, les signaux de franges de Ramsey obtenus sur un jet supersonique de SF6 , illustrent le potentiel de la technique des franges de Ramsey pour la spectroscopie à ultra-haute résolution et les étalons optiques de fréquence.

Cette thèse rapporte les mesures de violation de parité effectuées sur deux composantes hyperfines ΔF = 0 et 1 de la transition très interdite 6S-7S du Cs, excitées à résonance. La mesure porte sur le dipôle électrique de transition violant la parité, déduit d'une composante de l'orientation électronique de l'état 7S se comportant comme un vecteur polaire par inversion de la chiralité de l'expérience. Des mesures auxiliaires fournissent des tests de fiabilité des résultats et de leur interprétation. Celle-ci conduit à la charge faible du noyau QW(Cs) = - 67 ± 10 . L'expérience est un test à basse énergie des théories électrofaibles prédisant une interaction faible neutre électron-nucléon violant la parité, associée à l'échange d'un Z0 . Le résultat confirme la prédiction du modèle standard.