Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse de doctorat caractérisent de manière cohérente la physique des plasmas d'argon à la pression atmosphérique en présence d'espèces réactives. Ces travaux sont motivés par les lacunes manifestes de la compréhension des plasmas froids à la pression atmosphérique, celles-ci étant en grande partie dues au nombre restreint de techniques de diagnostic permettant de les caractériser. Dans ce contexte, des diagnostics optiques permettant l'obtention des propriétés fondamentales (température du gaz et des électrons, densité d'états excités) sont d'abord développés et validés tant pour les plasmas microonde que pour les décharges à barrière diélectriques d'argon à la pression atmosphérique. En particulier, une méthode couplant des mesures d'émission optique des transitions 2p-1s de l'argon à un modèle collisionnel-radiatif décrivant la population des niveaux émetteurs 2p permettant d'obtenir la température des électrons est présentée, de même qu'un moyen d'obtenir la température du gaz à l'aide de mesures d'élargissement spectral de raies et la densité d'états métastables de l'argon à l'aide de mesures de spectroscopie d'absorption par diode laser accordable en longueur d'onde. Par la suite, ces diagnostics optiques sont employés pour étudier l'influence de l'ajout de gaz diatomiques dans un plasma microonde, mettant en évidence l'efficacité avec laquelle ils en viennent à dominer la cinétique de la décharge en absorbant la majorité de la puissance fournie au plasma. Une comparaison entre le bilan de puissance des électrons qu'ils permettent de calculer à celui d'un diagnostic électrique est également effectué dans le cas d'une décharge à barrière diélectrique d'argon en présence de précurseurs d'anhydrides. Finalement, les propriétés fondamentales de deux conffgurations de jets de plasmas s'écoulant dans l'air ambiant, l'une radiofréquence, l'autre microonde, sont également examinées. Dans le premier cas, les effets de l'air ambiant sur ces propriétés sont mis de l'avant, alors que dans le second cas, la position d'injection du précurseur organosilicié HMDSO dans le jet de plasma est évaluée pour le dépôt de revêtements fonctionnels sur des substrats de verre. Ces derniers travaux révèlent l'obtention d'un revêtement antibuée dans des conditions opératoires spécifiques, un résultat fort prometteur pour l'industrie du verre. / The research done in this Ph.D. thesis consistently characterizes the physics of argon plasmas at atmospheric pressure in the presence of reactive species. This work is motivated by the obvious deficiencies in the understanding of cold plasmas at atmospheric pressure, which are largely due to the limited number of diagnostic techniques used to characterize them. In this context, optical diagnostics allowing the obtaining of fundamental properties (gas and electron temperature, number density of excited species) are first developed and validated in a microwave argon plasma as well as in a dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure. In particular, a method coupling optical emission measurements of argon 2p-1s transitions to collisional-radiative modelling of the emitting 2p levels is presented in order to get the electron temperature, as well as a means to obtain the gas temperature by the spectral broadening of emission lines and the number density of argon metastable states from tunable laser diode absorption spectroscopy measurements. Subsequently, these optical diagnostics are used to study the influence adding diatomic gases in microwave argon plasmas, highlighting the efficiency with which they start dominating the discharge kinetics by absorbing most of the supplied power. A comparison between the electron power balance calculated from such optical diagnostics to that obtained from electrical diagnostics is also made in the case of an argon-based dielectric barrier discharge with anhydride precursors. Finally, the fundamental properties of two plasmas jet configurations (one radiofrequency, the other microwave) expanding in ambient air are also examined. In the first case, the effects of ambient air on these properties are featured, while in the second case, the injection position of the organosilicon precursor HMDSO in the plasma jet is studied for the deposition of functionnal coatings on glass substrates. The latter reveals the obtaining of an antifog coating under specific operating conditions, a very promising result for the glass industry.

In this work we study several important properties of the 2-microlocal Besov and Triebel-Lizorkin spaces with variable integrability. Due to the richness of the weight sequence used to measure smoothness, this scale of function spaces incorporates a wide range of function spaces, of which we mention the spaces with variable smoothness. Within the existing characterizations of these spaces, the characterization via smooth atoms is undoubtedly one of the most used when it comes to obtain new results in varied directions. In this work we make use of such characterization to prove several embedding results, such as Sobolev, Franke and Jawerth embeddings, and also to study traces on hyperplanes. Despite the considerable benefits of resorting on the smooth atomic decomposition, there are still some limitations when one tries to use it in order to prove some specific results, such as pointwise multipliers and diffeomorphisms assertions. The non-smooth atomic characterization proved in this work overcome these problems, due to the weaker conditions of the (non-smooth) atoms. Moreover, it also allows us to give an intrinsic characterization of the 2-microlocal Besov and Triebel-Lizorkin spaces with variable integrability on the class of regular domains, in which connected bounded Lipschitz domains are included. / In dieser Arbeit untersuchen wir einige wichtige Eigenschaften der 2-microlokalen Besov und Triebel-Lizorkin Räume mit variabler Integrabilität. Weil die Glattheit hier mit einer reicher Gewichtsfolge gemessen wird, beinhaltet diese Skala von Funktionsräumen eine große Anzahl von Funktionsräumen, von denen wir die Räume mit variabler Glattheit erwähnen. Innerhalb der vorhandenen Charakterisierungen dieser Räume ist die Charakterisierung mit glatten Atomen zweifellos eine der am häufigsten verwendeten, um neue Ergebnisse in verschiedenen Richtungen zu erhalten. In dieser Arbeit verwenden wir eine solche Charakterisierung, um mehrere Einbettungsergebnisse zu bewiesen, wie Sobolev-Einbettungen und Einbettungen vom Franke-Jawerth Typ, und auch Spurresultate zu untersuchen. Trotz der beträchtlichen Vorteile des Rückgriffs auf die glatte Atomaren-Zerlegung gibt es immer noch einige Einschränkungen, wenn man versucht, sie zu verwenden, um einige spezifische Ergebnisse zu beweisen, wie beispielsweise punktweise Multiplikatoren und Diffeomorphismen-Assertionen. Die nichtglatte atomare Charakterisierung, die wir in dieser Arbeit beweisen, überwindet diese Probleme aufgrund der schwächeren Bedingungen von (nichtglatten) Atomen. Außerdem erlaubt es uns, eine Intrinsische Charakterisierung der 2-mikrolokalen Besov- und Triebel-Lizorkin-Räume mit variabler Integrabilität auf regulärer Gebieten zu geben.

Die Streuung niederenergetischer Ionen zur chemischen Analyse und Strukturbestimmung von Festkörperoberflächen gehört mittlerweile zu den Standardverfahren der Oberflächenphysik. Weniger bekannt ist sicherlich, daß die Ionenstreuung auch zur Untersuchung magnetischer Oberflächen eingesetzt werden kann. Diese Methode beruht auf dem Einfang spinpolarisierter Elektronen von einer Festkörperoberfläche und trägt daher den Namen Elektroneneinfangsspektroskopie (engl.: Electron Capture Spectroscopy, ECS). Das verwendete Verfahren zum (indirekten) Nachweis einer Spinpolarisation der Oberflächenelektronen basiert auf dem Effekt, daß ein geringer Teil der Ionen nach der Wechselwirkung mit der Oberfläche ein Elektron in einen angeregten Projektilzustand eingefangen hat. Die nachfolgende Abregung kann durch die Emission polarisierter Strahlung erfolgen. Der Grad der Zirkularpolarisation hängt unter anderem vom Magnetisierungszustand der Oberfläche ab. In dieser Arbeit wurden Experimente an drei verschiedenen Systemen durchgeführt. Als Projektile dienten dabei einfach geladene Heliumionen mit Primärenergien zwischen 2 und 14 keV, die unter verschiedenen Einfallswinkeln an der Probe gestreut wurden. Die Lichtemission eines Triplett-Übergangs im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge: 587.6 nm) wurde im Experiment analysiert. Zunächst wurden ECS-Messungen an einer unmagnetischen Kupfer(111)-Oberfläche durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Emission polarisierter Strahlung von verschiedenen experimentellen Parametern abhängt. Dazu gehört neben der Primärenergie der Projektilionen auch deren Einfallswinkel. Ein statisches Magnetfeld, das mit einem Weicheisenjoch erzeugt wird, hat keinen Einfluß auf die Lichtpolarisation bei einer unmagnetischen Probe. Die ECS-Messungen an einer amorphen ferromagnetischen Oberfläche ergaben, daß mit dieser Methode prinzipiell auch Ummagnetisierungskurven ferromagnetischer Festkörperoberflächen bestimmt werden können. Die im Vergleich zu den ebenfalls untersuchten MOKE-Hysteresen charakteristische, leicht abgerundetete Form der Kurven ist ein experimenteller Nachweis dafür, daß die Elektroneneinfangsspektroskopie eine extrem oberflächensensitive Meßmethode ist. Diese Oberflächenempfindlichkeit ist eine unmittelbare Konsequenz des Formierungsabstands des angeregten Heliumzustands. Die Messungen am System Co/Cu(111) konnten zeigen, daß die ECS-Methode prinzipiell auch bei dünnen ferromagnetischen Schichten anwendbar ist, die auf ein unmagnetisches Substratmaterial gedampft wurden. Hier ergaben sich u.a. interessante Abhängigkeiten des magnetischen Signals von der Dicke der aufgedampften Schicht, die sich erstaunlich gut mit den mikromorphologischen Eigenschaften des Kobaltfilms korrelieren ließen. Ferner wurde gezeigt, daß mit der ECS-Methode auch Hysteresen dünner ferromagnetischer Schichten gemessen werden können.

The presented work investigates planar and axial channeling effects in ion-surface collisions. Therefore, energy loss and charge state distributions depending on the crystalline surface direction are recorded and analyzed. Several additional scattering parameters, like the primary energy, the outgoing charge state, the scattering angle, and the angle of incidence are varied. Multi-peak structures in the energy spectra are observed under axial channeling conditions and attributed to different trajectory classes. Using combined trajectory and inelastic energy loss calculations we are able to unambiguously assign the different peaks in the energy spectra to the different types of trajectories found in the calculations. By this, we investigate the electronic density corrugation at different metal surfaces. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluß von axialem und planarem Channeling auf den Energieverlust von oberflächengestreuten Ionen. Es werden Energieverlustspektren und Ladungsverteilungen in Abhängigkeit der Parameter Primärenergie, gestreuter Ladungszustand, Streuwinkel, Einfallswinkel und der azimuthalen Ausrichtung der Oberfläche gemessen. Im Fall von axialem Channeling beobachten wir in den Energiespektren eine Multi-Peak Struktur. Diese läßt sich auf unterschiedliche Teilchentrajektorien zurückführen. Zusammen mit theoretischen Berechnungen des inelastischen Energieverlustes kann eine eindeutige Zuordnung zwischen dem gemessenen Energieverlust und der dazugehörigen Trajektorienart gemacht werden. Diese Technik erlaubt es uns, die elektronische Dichtekorrugation an Oberflächen zu studieren.

We investigate two different coupling schemes between a nano-scale mechanical resonator and one-electron atoms. In these schemes, classical electromagnetic radiation mediates a mutual communication between the mechanical resonator and the atoms. In the process it generates atomic coherences, quantum superpositions of excited electronic levels of the atoms. An atomic coherence is highly responsive to subtle variations in the relative frequencies of the levels participating in such superposition state. By exposing the atoms to electromagnetic radiation modulated by the motion of the mechanical resonator, we show how the response of an atomic coherence can, under appropriate conditions, be used to affect on demand the dynamical state of the mechanical resonator. The first scheme realizes a long range interface between a mechanical resonator and an ensemble of three-level atoms. Here, mechanically modulated electromagnetic radiation comes from a laser beam reflected off an oscillating mirror, the mechanical resonator. This light beam drives the transition between an excited level and a hyperfine sublevel of the atoms with a certain detuning. A weaker light beam resonantly couples to the transition between the excited level and another hyperfine sublevel. On full resonance, the atoms evolve into a stationary coherence of the above (non-absorbing) hyperfine sublevels only. The atoms then become transparent to the weaker light beam, in a phenomenon called electromagnetically induced transparency. Off resonance, we find that this transparency is modulated at the mirror frequency with some phase shift, which allows the weaker beam to cause resonant backaction onto the moving mirror. The strength of this backaction is enhanced near atomic resonances and its character can be switched between amplification or damping of mirror vibrations by adjusting the detuning. In contrast, the second scheme accomplishes a closer range interface between a torsion pendulum and guided two level Rydberg atoms. Attaching a point electric dipole to the torsion pendulum allows electromagnetic coupling to two Rydberg levels of a passing atom. This coupling modifies the eigenfrequencies of the Rydberg levels such that they become dependent on the phonon number of the torsion pendulum. Via Ramsey interferometry, we may readout this effect and thus measure the phonon number. We show that, by subjecting several atoms, one by one, to a Ramsey measurement, a quantum non-demolition detection of the phonon number is feasible. Likewise, we show coherent oscillator displacements possible, by driving the atoms with external fields while they interact with the torsion pendulum. We propose a protocol to reconstruct the quantum state of motion of the torsion pendulum, combining these two techniques, Ramsey measurements and oscillator displacements. Our interfaces between a mechanical resonator and atoms provide alternative routes for the control of the state of motion, ultimately quantum mechanical, of a mechanical resonator, in which the latter is not restricted to be part of a cavity. We will thus ease quantum dynamical manipulations of mechanical resonators of sub micron scales, for which an efficient design of cavity opto- and electro-mechanical systems is hard.

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<div>Photoconductive Semiconductor Switches (PCSS) are metal-semiconductor-metal devices used to switch an electrical signal through photoconduction. Rapidly switched PCSS under high bias voltages have shown remarkable potential for high power electronic and electromagnetic wave generation, but are dependent on precise optoelectronic material parameters such as defect ionization energy and optical absorption. These properties can be measured but are difficult to attribute definitively to specific defects and materials without the aid of high-accuracy, predictive modeling and simulation. This work combines well-established methods for first principles electronic structure calculations such as Density Functional Theory (DFT) with novel modern approaches such as Local Moment Counter Charge (LMCC) boundary conditions to adequately describe charge states and Maximally Localized Wannier Functions (MLWF) to render the summation of optical excitation paths as computationally tractable. This approach is demonstrated to overcome previous barriers to obtaining reliable qualitative or quantitative results, such as DFT band gap narrowing and the prohibitive computational cost of coupled electron-phonon processes. This work contributes electronic structure calculations of 4H-SiC doped with first-row transition metals (V through Ni) that are consistent with prior published work where applicable and add new possibilities for prospective semi-insulating metal-semiconductor systems where investigating new dopant possibilities. The results indicate a spectrum of highly localized, mid-gap, spin-dependent defect energy levels which suggest a wider range of potential amphoteric dopants suitable for producing semi-insulating material. Additionally, this work contributes MLWF-based calculations of phonon-resolved optical properties in 3C and 4H-SiC, indirect gap semiconductors, which accurately produce the expected onset of optical absorption informed by experiment. These results were further expanded upon with small V-doped cells of 4H-SiC, which while not fully converged in terms of cell size still provided a qualitative point of comparison to the ground state results for determining the true optical excitation energy required for substantial photoconductivity. The subsequent speculative analysis suggests the importance of anisotropic absorption and alternative metal defects for optimizing high current optoelectronic devices such as PCSS.</div>

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Cold-atom quantum simulators offer unique possibilities to prepare, manipulate, and probe quantum many-body systems. However, despite the high level of control in modern experiments, not all observables of interest are easily accessible. This thesis aims at establishing protocols to measure currently elusive static and dynamic properties of quantum systems. The experimental feasibility of these schemes is illustrated by means of numerical simulations for relevant applications in many-body physics and quantum simulation. In particular, we introduce a general method for measuring dynamical correlations based on non-Hermitian linear response. This enables unbiased tests of the famous fluctuation-dissipation relation as a probe of thermalization in isolated quantum systems. Furthermore, we develop ancilla-based techniques for the measurement of currents and current correlations, permitting the characterization of strongly correlated quantum matter. Another application is geared towards revealing signatures of supersolidity in spin-orbit-coupled Bose gases by exciting the relevant Goldstone modes. Finally, we explore a scenario for quantum-simulating post-inflationary reheating dynamics by parametrically driving a Bose gas into the regime of universal far-from-equilibrium dynamics. The presented protocols also apply to other analog quantum simulation platforms and thus open up promising applications in the field of quantum science and technology. / I simulatori quantistici ad atomi freddi offrono possibilità uniche per preparare, manipolare e sondare sistemi quantistici a molti corpi. Tuttavia, nonostante l'alto livello di controllo raggiunto negli esperimenti moderni, non tutte le osservabili di interesse sono facilmente accessibili. Lo scopo di questa tesi è quello di stabilire protocolli per misurare delle proprietà statiche e dinamiche dei sistemi quantistici attualmente inaccessibili. La fattibilità sperimentale di questi schemi è illustrata mediante simulazioni numeriche per applicazioni rilevanti nella fisica a molti corpi e nella simulazione quantistica. In particolare, introduciamo un metodo generale per misurare le correlazioni dinamiche basato su una risposta lineare non hermitiana. Ciò consente test imparziali della famosa relazione fluttuazione-dissipazione come sonda di termalizzazione in sistemi quantistici isolati. Inoltre, sviluppiamo tecniche basate su ancilla per la misura di correnti e correlazioni di corrente, consentendo la caratterizzazione della materia quantistica fortemente correlata. Un'altra applicazione è orientata a rivelare l'impronta della supersolidità nei gas Bose con accoppiamento spin-orbita eccitando il corrispondente modo di Goldstone. Infine, esploriamo uno scenario per la simulazione quantistica della dinamica di riscaldamento post-inflazione modulando parametricamente un gas Bose e portandolo nel regime della dinamica universale lontana dall'equilibrio. I protocolli presentati si applicano anche ad altre piattaforme di simulazione quantistica analogica e aprono quindi applicazioni promettenti nel campo della scienza e della tecnologia quantistica. / Quantensimulatoren auf Basis ultrakalter Atome eröffnen einzigartige Möglichkeiten zur Präparation, Manipulation und Untersuchung von Quanten-Vielteilchen-Systemen. Trotz des hohen Maßes an Kontrolle in modernen Experimenten sind jedoch nicht alle interessanten Observablen auf einfache Weise zugänglich. Ziel dieser Arbeit ist es, Protokolle zur Messung aktuell nur schwer erfassbarer statischer und dynamischer Eigenschaften von Quantensystemen zu etablieren. Die experimentelle Realisierbarkeit dieser Verfahren wird durch numerische Simulationen anhand relevanter Anwendungen in der Vielteilchenphysik und Quantensimulation veranschaulicht. Insbesondere wird eine allgemeine Methode zur Messung dynamischer Korrelationen basierend auf der linearen Antwort auf nicht-hermitesche Störungen vorgestellt. Diese ermöglicht unabhängige Tests des berühmten Fluktuations-Dissipations-Theorems als Indikator der Thermalisierung isolierter Quantensysteme. Darüber hinaus werden Verfahren zur Messung von Strömen und Strom-Korrelationen mittels Kopplung an einen Hilfszustand entwickelt, welche die Charakterisierung stark korrelierter Quantenmaterie erlauben. Eine weitere Anwendung zielt auf die Enthüllung spezifischer Merkmale von Supersolidität in Spin-Bahn-gekoppelten Bose-Einstein-Kondensaten ab, indem die relevanten Goldstone-Moden angeregt werden. Schließlich wird ein Szenario zur Quantensimulation post-inflationärer Thermalisierungsdynamik durch die parametrische Anregung eines Bose-Gases in das Regime universeller Dynamik fern des Gleichgewichts erschlossen. Die dargestellten Protokolle lassen sich auch auf andere Plattformen für analoge Quantensimulation übertragen und eröffnen damit vielversprechende Anwendungen auf dem Gebiet der Quantentechnologie.

In dieser Arbeit untersuchen wir kollektive Strahlungseffekte in Nanofaser-gekoppelten atomaren Ensembles, die sich über Tausende von optischen Wellenlängen erstrecken. Wir koppeln bis zu 1000 Atome optisch an die geführten Moden einer optischen Nanofaser, die langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen den Atomen vermittelt. Wir realisieren eine unidirektionale Kopplung und damit ein kaskadiertes Quantensystem, in dem die Dynamik jedes Atoms ausschließlich durch die Dynamik der vorgelagerten Atome bestimmt wird. Wir regen die Atome mit nanofasergeführten optischen Pulsen kohärent an, was uns ermöglicht, den gesamten Parameterbereich von schwacher Anregung bis hin zur voll-ständigen Inversion zu erforschen. Wir stellen fest, dass die kohärente Vorwärtsstreuung, die für die Superradianz im Regime der schwachen Anregung verantwortlich ist, auch nahe voller Inversion eine wichtige Rolle für die Dynamik spielt. Wir beobachten superradiante Puls-Dynamik, die in unserem System trotz des makroskopischen Abstands zwischen den Atomen und einer asymmetrischen Kopplung auftritt. Wir stellen fest, dass die emittierte Spitzenleistung noch schneller mit der Anzahl der Atome skaliert als im Fall der idealen Dicke Superradianz, was auf eine kollektiv erhöhte Sammeleffizienz der nanofasergeführten Mode zurückzuführen ist. Die Analyse der Kohärenz-Eigenschaften des superradianten Pulses erlaubt es uns, zwei Regime der Puls-Dynamik zu identifizieren. Wir entwickeln ein kaskadiertes Wechselwirkungsmodell und zeigen, dass es die kollektive Dynamik unseres Systems über den gesamten in dieser Arbeit untersuchten Parameterbereich akkurat beschreibt. Schließlich untersuchen wir die getriebene Dynamik eines Nanofaser-gekoppelten Ensembles von Drei-Niveau-Atomen. Wir treiben Zwei-Photonen-Rabi-Oszillationen zwischen den beiden Grundzuständen eines $\Lambda$-Systems und beobachten die damit verbundene oszillatorische Raman-Verstärkung und -Absorption. / In this thesis, we study collective radiative effects in nanofiber-coupled atomic ensembles that extend over thousands of optical wavelengths. We optically couple up to 1000 atoms to the guided modes of an optical nanofiber, which mediates long-range dipole-dipole interactions between the atoms. We engineer the coupling to be unidirectional, realizing a cascaded quantum system in which the dynamics of each atom is solely determined by the dynamics of upstream atoms. We coherently excite the atoms using nanofiber-guided optical pulses, allowing us to explore the entire parameter regime from weak excitation to full inversion. We find that coherent forward scattering, which is responsible for superradiance in the weak excitation regime, plays an important role for the dynamics even close to full inversion. We observe superradiant burst dynamics, which occurs in our system despite the macroscopic separation between the atoms and an asymmetric coupling. We find that the peak-emitted power scales even faster with the number of atoms than in the case of ideal Dicke superradiance due to a collectively enhanced channeling efficiency into the nanofiber-guided mode. By analyzing the coherence properties of the superradiant burst, we directly identify two regimes of burst dynamics. In the second regime, there is no initial coherence, and the superradiant burst is seeded by vacuum fluctuations. We introduce a cascaded interaction model and find that it accurately describes the collective dynamics of our system over the entire parameter regime explored in this thesis. Finally, we study the driven dynamics of a nanofiber-coupled ensemble of three-level atoms. We drive two-photon Rabi oscillations between the two ground states of a $\Lambda$ system and observe the associated oscillatory Raman gain and absorption.