Deux expériences d'Optique Atomique Quantique sont étudiées dans ce manuscrit : l'expérience Hong-Ou-Mandel atomique ainsi qu'une expérience préliminaire au test des inégalités de Bell sur la variable d'impulsion de deux atomes. Ces deux expériences permettent de révéler des comportements très particuliers de la matière. La première produit une interférence à deux particules et la seconde suggère l'intrication de deux atomes en impulsion. Ces deux aspects de la mécanique quantique sont non-intuitifs et surprenants. Pouvoir les réaliser avec quelques atomes dans des environnements contrôlés est nécessaire à la consolidation de nos connaissances des lois de la nature et tout particulièrement quand mécanique quantique et gravitation sont à l'oeuvre simultanément. / We report two Quantum Atom Optics experiments : the atomic Hong-Ou-Mandel experiment and preliminary results toward Bell's inequality test on momentum of two atoms. Both experiments reveal interesting behaviors of matter. The first one shows a 2-particle interference and the second one suggests entanglement momenta between two atoms. These aspects of quantum mechanics are really surprising and unintuitive. Realizing these experiments with a few atoms in a controlled environment are necessary to strengthen our understanding of the world, particularly when quantum mechanics and gravitation act simultaneously.

Ce travail de thèse a pour but de montrer comment des caractérisations nanomécaniques en AFM peuvent apporter une meilleure compréhension des relations structure-propriétés dans les polymères. Dans ce contexte, la technique elle-même et sa base théorique sont d'abord analysées pour mettre en œuvre une méthodologie robuste afin d'effectuer des mesures reproductibles. Deux études principales sont menées sur un thème commun : la compréhension des interactions entre les biopolymères et les liquides ioniques (ILs). Tout d'abord, la compatibilisation des mélanges PBAT/PLA par deux ILs différents (à savoir il-Cl et il-TMP) est étudiée. Les images AFM d'adhésion et de module local mettent en évidence les différentes microstructures, et soulignent que la compatibilisation résulte principalement d'une modification de l'interface PBAT/PLA, devenant une interphase cohésive. Ceci est dû à une interaction spécifique avec les cations et les anions de chaque liquide ionique, qui se situent préférentiellement au niveau de ces interphases. La deuxième étude porte plus précisément sur la modification du PBAT semi-cristallin par de petites quantités des mêmes liquides ioniques. Alors que il-TMP forme des nodules dissipatifs dispersés dans la matrice et une interphase cohésive avec celle-ci, il-Cl, miscible dans la phase amorphe du PBAT, augmente la mobilité de la chaîne dans la MAF (i.e. fraction amorphe mobile) et l'entrave dans la RAF confinée (i.e. fraction amorphe rigide), conduisant à des modifications intéressantes des propriétés macroscopiques. En plus de montrer certaines capacités intéressantes des ILs comme additifs dans les polymères, ces résultats dévoilent également un potentiel exceptionnel des caractérisations nanomécaniques en AFM pour la compréhension en profondeur des relations structure-propriétés dans les matériaux. / This thesis work aims to show how nanomechanical characterizations in AFM can provide a better understanding of structure-properties relationships in polymers. In this context, the technique itself and the associated theoretical basis are first analyzed to implement a robust methodology in order to perform reproducible, quantitative measurements. Two main studies are carried out around a common topic: the understanding of the interactions between biopolymers and ionic liquids (ILs). First, the compatibilization of PBAT/PLA blends by two different ILs (namely il-Cl and il-TMP) is studied. Adhesion and local modulus mappings evidence the resulting microstructures, and highlight that the compatibilization mainly results from a modification of the PBAT/PLA interface, becoming a coherent interphase. This is due to specific interaction with the cations and the anions of each IL, which are preferentially located at those interphases. The second study is more specifically about the understanding of the modification of semicrystalline PBAT by the addition of small amounts of the same ionic liquids. While il-TMP forms dissipative nodules dispersed into the matrix with a cohesive interphase between both, il-Cl, miscible into the amorphous phase of PBAT, amplifies the chain mobility in the bulky MAF (i.e. Mobile Amorphous Fraction) and hinders it in the confined RAF (i.e. Rigid Amorphous Fraction), leading to interesting macroscopical properties modifications. More than showing some interesting capabilities of ILs as additives in polymers, those results also show an outstanding potential of AFM nanomechanical mappings for the in-deep understanding of structure-properties relationships in materials.

Dans la première partie de ce travail de thèse, on a étudié les causes d'anomalie de pesanteur, et plusieurs causes de bruit afin d'en tirer des conclusions sur la faisabilité de certaines applications industrielles qui impliqueraient notamment l'utilisation de gravimètres ou de gradiomètres embarqués. On envisage en particulier la possibilité de constituer un système de prévention des collisions pour la navigation sous-marine, d'utiliser un gravimètre pour détecter des cavités enfouies ou encore d'observer l'anomalie de pesanteur créée par le passage d'une vague de tsunami d'une part, et d'autre part on cherche autant que possible à quantifier en spectre de puissance les bruits classiques rencontrés en gravimétrie embarquée, ainsi que le bruit gravitationnel causé par les vagues. Dans la seconde partie, on décrit la réalisation d'un gravimètre à ondes de matière, qui aura la particularité d'utiliser des atomes piégés au voisinage d'une puce en carbure de silicium. Le développement des gravimètres à ondes de matière est en effet extrêmement prometteur en terme d'exactitude de mesure du champ de pesanteur, mais le principe de réalisation utilisé jusqu'à maintenant implique que la sensibilité limite de l'instrument est proportionnelle à sa taille. D'un autre côté depuis une dizaine d'années des puces constituées de fils conducteurs déposés sur un substrat en silicium ont été développées pour le piégeage et le refroidissement d'atomes. L'utilisation d'une puce à atomes devra permettre de démontrer la possibilité de mesurer le champ de pesanteur avec une sensibilité indépendante de la taille de l'instrument, ce qui mènera à la réalisation d'un gravimètre à atomes froids compact, donc potentiellement utilisable dans un véhicule. Le défi de ce démonstrateur est d'effectuer pour la première fois la séparation spatiale cohérente d'un nuage d'atomes sur une puce atomique, à des fins de métrologie

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l’oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des «points chauds», des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l’échelle nanométrique des couches minces d’oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l’atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l’interface Si/oxyde. / Miniaturization of the MOS transistor structure has led to the high thinning of the gate oxide. Hence, degradation and breakdown under electrical stress became one of the important reliability concerns of thin oxide films. The use of characterization techniques allowing to measure leakage currents with a nanometric spatial resolution has shown that breakdown phenomenon of oxides is a highly localized phenomenon. So called “hot spots”, places where the leakage current is very high for a given applied continuous voltage, can be several nanometers wide only. This illustrates why nanometric characterization methods with a nanometer range spatial resolution provide additional information compared to the classical macroscopic characterization. There are two instruments that can be used to do this job, either the Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) or the Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). TUNA which is used in our work is capable to measure very low currents ranging between 60 fA and 100 pA. Our work can be divided into two principle topics: - Electrical characterization of thin high-k oxides (LaAlO3 and Gd2O3) at the nano-scale using the Veeco Dimension 3100 where we have shown that the difference in their elaboration techniques largely influence the electrical behavior of these oxides. - Nano-scale electrical and physical characterization of thin SiO2 thermal oxides in different surrounding ambient, that is in air and under vacuum (≈ 10-6 mbar) using the Veeco E-scope microscope. The influence of the experiment surrounding ambient has been well studied where we have shown that the breakdown phenomena of thin oxide films can be highly reduced under vacuum especially in the absence of the water meniscus on the oxide’s surface under study. Using different AFM modes, it was demonstrated that the existence of the well-known hillock (protrusions) on the oxide’s surface after the application of an electrical stress is a combination of two phenomena: the real morphological modification of the oxide’s surface and the electrostatic force between the trapped charges in the oxide’s volume and the AFM tip. Depending on the current images obtained by TUNA AFM mode, two physical phenomena for the creation of these hillocks have been proposed: the first is the electro-thermal effect and the second is the oxidation of the Si substrate at the Si/oxide interface.

La fontaine atomique FO1, étalon primaire de fréquence qui utilise des atomes de césium refroidis par laser, a permis d'atteindre un niveau d'exactitude et de stabilité de 2x10 15. Gagner encore un facteur dix sur ces performances pose plusieurs problèmes. L'amélioration de l'exactitude se heurte à une difficulté majeure: le rayonnement du corps noir. Celui-ci provoque un déplacement de fréquence qui n'était modélisé qu'à un niveau d'exactitude de 1x10-15. Grâce à une étude théorique et expérimentale de l'effet Stark pour la transition horloge de l'atome de césium, nous avons amélioré l'évaluation du déplacement de fréquence induit par le rayonnement du corps noir. Pour gagner sur la stabilité, une solution séduisante consiste à développer une horloge à atomes froids qui opère en microgravité. Cette idée a donné naissance au projet PHARAO. Dans une horloge embarquée sur un satellite, les sources laser de laboratoire ne sont plus utilisables. Nous avons développé une solution technologique qui met en oeuvre une diode laser de type DBR avec une contre réaction optique faible. Nous avons mené une analyse de la dégradation de la stabilité des horloges par le bruit de fréquence des sources laser. Cette étude définit les spécifications requises pour les sources laser de détection des horloges à atomes froids.

Cette thèse porte sur la manipulation d'atomes à l'aide d'objets<br /> nanostructurés. Deux études expérimentales liées à cette<br /> thématique ont été menées. La première a été consacrée à la mise<br /> en place d'un jet de césium intense refroidi transversalement par<br /> mélasse optique et à sa caractérisation. Cette souce a été<br /> appliquée à la lithographie atomique de film d'or \emph{via} des<br /> monocouches moléculaires auto-assemblées. Après une<br /> caractérisation des différentes étapes du procédé, nous avons<br /> employé des masques matériels pour graver des motifs de taille<br /> sub-micrométrique sur la surface d'or. Nous avons obtenu des<br /> trous de 250 nm de diamètre, cette résolution étant limitée par la<br /> taille des masques employés. <br /><br /> Le deuxième ensemble d'expériences concerne la réponse optique<br /> d'ouvertures sub-l'ongueur d'onde dans des films minces<br /> métalliques. Nous avons d'abord mis en place un dispositif<br /> d'imagerie par microscopie de fluorescence qui nous a permis de<br /> cartographier le champ lumineux mis en forme par une fente \SLO<br /> entourée par des sillons périodiques. Pour mieux comprendre les<br /> méchanismes en jeu dans la transmission de la lumière par ces<br /> éléments, les propriétés de structures simples on été étudiées par<br /> interférométrie en champ lointain. Les résultats quantitatif<br /> obtenus permettent une description phénoménologique des procédés<br /> élémentaires en jeu dans ces éléments qui peut être comparée aux<br /> modèles théoriques.

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l'oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L'objectif de cette thèse, était d'explorer le potentiel de l'oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d'Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d'abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique...) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s'est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3.

Cette thèse présente deux expériences de physique atomique, réalisées sur un échantillon de Rubidium 87 ultra-froid. Nous abordons les thématiques de l'interférométrie atomique, ainsi que des propriétés de transport en milieu désordonné. Dans la première expérience, nous développons une méthode de suspension des atomes contre la gravité, en vue d'optimiser le temps d'interrogation d'interféromètres atomiques. Les atomes sont périodiquement diffractés sur une onde lumineuse stationnaire, utilisée comme miroir de Bragg pour réfléchir l'échantillon et ainsi empêcher sa chute. Toutefois, en approchant le régime de réseau mince, l'onde atomique est séparée vers de nombreuses trajectoires qui se recombinent périodiquement. Nous montrons que les interférences entre ces composantes peuvent être exploitées pour bloquer les pertes vers les voies en chute libre. Ce nouvel interféromètre pourrait être une alternative intéressante pour maintenir un senseur inertiel ou une horloge atomique en suspension dans un volume réduit, tout en permettant une mesure simultanée des forces agissant sur les atomes. La seconde expérience porte sur les propriétés de transport dans un milieu bidimensionnel désordonné. En particulier, des interférences entre ondes de matière peuvent bloquer le transport - phénomène connu sous le nom de localisation d'Anderson. Nous confinons les atomes entre deux nappes de lumière répulsives, et générons le désordre à l'aide d'une figure de tavelures. Nous observons une propagation diffusive, dont nous extrayons des coefficients de diffusion en accord avec une modélisation numérique. Nous explorons ensuite un régime de plus basse énergie, où un comportement subdiffusif, classiquement piégé sous le seuil de percolation, ou encore localisé au sens d'Anderson, pourrait être observé. Finalement, l'étude de l'influence du désordre sur la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless en deux dimensions est maintenant à portée de l'expérience.

Une onde évanescente lumineuse permet de réaliser un miroir à atomes, à condition que ceux-ci soient incidents avec une énergie cinétique suffisamment faible. Dans le régime de faible saturation, les atomes sont réfléchis de façon cohérente par un potentiel répulsif, le potentiel dipolaire. Nous caractérisons la réflexion d'un point de vue quantique, moyennant une solution analytique de l'équation de (\sc Schrödinger). La théorie de la diffraction d'atomes par une onde évanescente stationnaire est développée. Nous introduisons l'approximation du réseau de phase mince, valable dans le régime semi-classique, qui montre qu'en incidence normale la diffraction est efficace pour une faible modulation spatiale de l'intensité lumineuse. Pour interpréter la diffraction d'atomes en incidence rasante, il faut prendre en compte des transitions (\sc Raman) stimulées entre les sous-niveaux magnétiques. La réflexion atomique devient diffuse lorsque la rugosité de la surface du diélectrique, au-dessus de laquelle se propage l'onde évanescente, dépasse la longueur d'onde atomique incidente. La distribution angulaire des atomes diffusés donne accès à la densité spectrale de rugosité pour des échelles spatiales autour de la longueur d'onde lumineuse.

Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.