Nous étudions la génération, le stockage et la<br />manipulation d'états non classiques de la lumière et des atomes<br />grâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champs<br />optiques en cavité.<br /><br />Après avoir généré expérimentalement des états comprimés et<br />intriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieu<br />Kerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de tels<br />états dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction des<br />fluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard.<br /><br />Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stocker<br />les fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectif<br />d'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique à<br />atomes froids.<br /><br />Comme applications pour l'information quantique nous étudions<br />l'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, la<br />réalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec des<br />spins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateurs<br />mécaniques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des processus d'excitation, d'ionisation et de fragmentation d'agrégats de carbone monochargés C^+_n (n \leq 10) lors de collisions avec un atome d'hélium. Les collisions ont lieu à haute vitesse (2.6ua) pour laquelle le mécanisme d'excitation électronique et d'ionisation de l'agrégat domine. Les processus collisionnels (excitation électronique, ionisation simple et multiple, fragmentation) sont étudiés par le biais d'une nouvelle technique basée sur l'analyse de la forme des signaux de courant délivrés par des détecteurs à semi-conducteur sous l'impact des fragments rapides. Elle permet de résoudre sans ambiguïté les empilements de masses dans les détecteurs. La détection en coïncidence sur plusieurs voies permet de collecter tous les fragments issues de la collision (100% d'efficacité). Ainsi, le processus électronique survenu est identifié, la voie de fragmentation aussi. Les sections efficaces absolues d'excitation électronique, de simple, double, triple et quadruple ionisation sont mesurées et comparées aux prédictions d'un modèle à atomes et électrons indépendants (AEI). Les rapports de branchement de toutes les voies de fragmentation des agrégats C_n^q+ (n=5-10, q=0-4) sont mesurés et interprétés dans le cadre de la théorie statistique MMMC (Microcanonical Metropolis Monte Carlo).

La microscopie à force atomique (AFM) dynamique est née il y a maintenant presque quinze ans (Albrecht, 1991). Depuis la première image en résolution atomique (F. J. Giessibl, 1995), les avancées de cette technique de champ proche permettent aujourd'hui de manipuler des atomes à température ambiante (Oyabu, 2005) sur des surfaces conductrices ou isolantes. La compréhension du fonctionnement de cette machine complexe et l'optimisation des réglages des nombreux asservissements est un des objectifs de ce travail de thèse. A cette fin, un formalisme analytique provenant des méthodes de l'Automatique non linéaire (J. Ch. Gille, 1956) sera introduit pour traiter de façon naturelle les blocs de régulation de la machine mais aussi pour traiter l'interaction pointe-surface comme une fonction de transfert. Un outil numérique de simulation confirmera notre approche théorique. Dans un deuxième temps, le rôle capital de la sonde et sa caractérisation seront traités à travers une méthode expérimentale simple et originale. Cette méthode se base sur l'étude des changements des propriétés de résonance de la sonde oscillante sur des surfaces isolantes et conductrices. Les forces conservatives à longue portée du type électrostatique et van der Waals seront quantifiées. Les forces à courte portée essentiellement chimiques seront mises en évidence en mesurant la dissipation de la sonde oscillante en fonction de sa distance avec la surface. Nous finirons cette étude en montrant expérimentalement, sur un sytème MoS2/îlots d'or/molécules d'octanedithiol, la grande versatilité de ce microscope. En effet, cet appareil d'observation par sa complexité apparente laisse beaucoup de degrés de liberté à l'utilisateur pour aborder l'étude d'un tel système physicochimique. Des perspectives seront données pour améliorer la stabilité et le pouvoir de résolution des pointes qui permettraient de rendre pérenne cette technique de champ proche.

Ce mémoire présente le développement d'une nouvelle génération d'étalons de fréquence optique utilisant des atomes piégés. La stabilité de fréquence d'une telle horloge sera limitée dans un premier temps par le bruit de l'oscillateur local. Nous discutons dans la première partie du mémoire de différents paramètres, comme le rapport cyclique ou la méthode d'interrogation, pouvant réduire les effets de ce bruit: la séquence temporelle du cycle d'horloge doit être optimisée. Avec l'oscillateur local que nous avons réalisé, un laser ultra-stable, la stabilité attendue est de quelques 10^-16 tau^-1/2 soit près de deux ordres de grandeurs mieux que les fontaines atomiques actuelles. La deuxième partie du mémoire décrit une source d'atomes froids de strontium performante, étape essentielle pour réduire le temps de préparation des atomes dans le cycle. Enfin, nous rapportons la mesure de la transition d'horloge 1S0-3P0 du ^87 Sr avec une résolution de 15 kHz.

Les sections efficaces d'excitation collisionnelle sont des ingrédients essentiels dans la modélisation des propriétés radiatives d'un plasma hors équilibre thermodynamique. Dans le cas où le système électron-ion peut être considéré comme isolé, diverses méthodes quantiques issues de la théorie de la diffusion existent pour traiter correctement ce problème. Dans un plasma dense, on s'attend à ce que les particules voisines perturbent considérablement ces transitions. La modélisation du plasma par l'intermédiaire d'un potentiel perturbateur purement radial à déjà été effectuée, mais elle n'est pas satisfaisante pour les excitations collisionnelles car elle ne parvient à rendre compte ni de la levée de dégénérescence des niveaux ni de ses conséquences. Nous avons levé la "symétrie sphérique" en introduisant le microchamp électrique quasistatique produit par les ions voisins. Cette étude théorique inédite nous a permis de réaliser un code numérique, calculant automatiquement les forces de collision et taux collisionnels d'ions complexes de manière précise (Distorted Waves) en présence d'un microchamp reproduisant fidèlement la réalité. Nous avons appliqué cette étude au cas de l'Aluminium hydrogénoïde et héliumoïde. La prise en compte du microchamp électrique sur les sections efficaces d'excitation collisionnelle fait apparaître notablement les transitions issues d'états de moment angulaire élevé. En particulier, les sections efficaces de transitions interdites en l'absence de microchamp augmentent de plusieurs ordres de grandeur en sa présence et deviennent de l'ordre de celles des transitions autorisées. Nous avons, en outre, réalisé un code collisionnel-radiatif stationnaire élémentaire pour évaluer l'influence de ces modifications sur les profils de raies correspondants. L'importance de l'effet précédent n'élargit, cependant, que légèrement les raies Lyman beta, gamma et Helium gamma.

Dans le domaine de l'interaction laser intense – agrégats de gaz rare (Ar, Kr, Xe), les résultats expérimentaux montrent un fort couplage énergétique entre le rayonnement incident et ces nano objets. Nous avons étudié quantitativement (taux absolus et distributions en état de charge) et d'une manière systématique, l'émission X issue de cette interaction. L'influence des différents paramètres physiques gouvernant l'interaction comme l'intensité laser, la durée d'impulsion, la longueur d'onde ou la polarisation du laser, la taille et la nature des agrégats a été explorée. Nous avons mis en évidence, pour la première fois, un seuil de production de rayons X très faible (~2.1014 W/cm2 pour une durée d'impulsion de 300 fs). Ce seuil de production de rayonnement de rayonnement X peut se comprendre par la rétrodiffusion des électrons de basse énergie en phase avec le champ laser (mécanisme appelé « Fermi Shuttle ») ainsi que par un effet de polarisation dynamique de l'agrégat. Une faible sensibilité à la longueur d'onde a aussi été démontrée contrairement à des études précédentes. Par ailleurs, nous avons également observé une taille critique au dessus de laquelle la probabilité d'émission X reste constante.

FO1, du laboratoire BNM-SYRTE, a été la première fontaine à Cs fonctionnant comme un étalon primaire de fréquence dans le monde. La dernière évaluation d'exactitude en 2002 était de 1x 10^-15 avec une mélasse optique. Travaillant comme instrument, FO1 a contribué à la physique fondamentale et à des mesures extrêmement précises: - la comparaison de la fréquence entre les fontaines à Cs et à Rb pendant un intervalle de 5 ans a fixé une limite supérieure à la variation possible de la constante de structure fine |alpha/alpha|< 2x10^-15 par an. L'évaluation est environ 5 fois meilleure que celle obtenue précédemment au laboratoire. - l'exactitude attendue pour l'horloge spatiale PHARAO est de 1x10^-16. Nous avons confirmé les performances de la cavité Ramsey en examinant la différence de phase entre les deux zones d'interaction dans la fontaine FO1. - le déplacement de fréquence mesuré dans l'horloge à Cs dû au rayonnement du corps noir en fonction de la température T a donné par nu(T)=154(6)x10^-6(T/300)^4[1+epsilon(T/300)^2] Hz avec la valeur théorique epsilon=0,014. Ce résultat représente une amélioration d'un facteur 3 par rapport à la mesure précédente par le groupe PTB. Diverses améliorations ont été apportées à FO1. La nouvelle version de FO1 fonctionne directement en mélasse optique en utilisant un jet de césium ralenti comme source atomique. L'application de la méthode du passage adiabatique pour la sélection du niveau F=3, mF=0 nous permet d'évaluer le déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids et à l'effet d'entraînement de fréquence par la cavité au niveau de 10^-16. Les résultats récemment obtenus avec l'horloge FO1 améliorée montrent qu'elle est l'une des meilleures fontaines au monde: la stabilité de fréquence en utilisant l'oscillateur cryogénique en saphir est maintenant de 2,8x10^-14 tau^-1/2. L'exactitude est en cours d'évaluation. Quelques 10^-16 sont attendus.

Ce mémoire rapporte les premiers résultats d'une expérience visant à développer une horloge optique à atomes de strontium piégés. Ce dispositif réunit les avantages des différentes techniques utilisées jusqu'à présent pour réaliser un étalon de fréquence atomique. La première partie décrit la réalisation de la source d'atomes froids. Un piège magnéto-optique fonctionnant sur la transition 1S0-1P1 à 461nm est chargé à partir d'un jet atomique décéléré par un ralentisseur Zeeman. La source à 461nm est réalisée par somme de fréquence dans un cristal de KTP. Dans la deuxième partie sont détaillées les étapes mises en oeuvre pour effectuer la détection par excitation directe de la transition d'horloge 1S0-3P0 du 87Sr, de 1mHz de largeur de raie théorique. Préalablement à cette observation, une première estimation de la fréquence de la transition d'horloge a été obtenue en mesurant la fréquence absolue de plusieurs résonances optiques plus largement permises.

L'objectif de ce travail de thèse est d'améliorer la caractérisation des différentes espèces ioniques présentes dans les plasmas. La modélisation de la thermodynamique de ces plasmas est importante, notamment pour décrire leur capacité à absorber le rayonnement électromagnétique. L'écrantage des ions par les électrons libres joue un rôle capital dans cette thermodynamique. Le nombre de configurations électroniques du plasma est considérable, ce qui rend leur traitement détaillé prohibitif. Une approche récente fondée sur l'approximation des ''supraconfigurations'' permet de regrouper les configurations électroniques des ions en quelques centaines ou milliers de supraconfigurations pertinentes. Chaque supraconfiguration est caractérisée par un potentiel ainsi qu'une base d'états quantiques à un électron qui sont calculés de manière auto-cohérente. Ce travail de thèse constitue une amélioration de la méthode des supraconfigurations, prenant en compte l'écrantage des ions par les électrons délocalisés et assurant simultanément que chaque espèce ionique a le même environnement plasma. Ainsi, l'approche proposée assure non seulement la neutralité électrique du plasma, mais aussi, en faisant varier les volumes des sphères ioniques, l'égalité de la pression électronique du plasma autour de chaque ion. Cette égalité est obtenue par un calcul itératif fondé sur la méthode de Newton multi-dimensionnelle. Ce calcul est complexe mais la méthode converge et permet, dans le cas de plasmas de fortes densités (de l'ordre de la densité du solide), de mieux tenir compte de phénomènes d'ionisation par pression. L'impact de cette nouvelle approche thermodynamique sur le calcul de spectres de photo-absorption a été étudié. Des comparaisons avec des spectres expérimentaux obtenus au laboratoire LULI ont été effectuées. Une nouvelle règle de somme concernant la densité dipolaire induite a été obtenue dans le cadre d'une étude de la réponse linéaire prenant en compte l'écrantage dynamique dans les plasmas.

Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.