Les systèmes composés d'atomes et d'ions ultrafroids ont étés un sujet d'intérêt pour les physiciens atomiques et, plus récemment, pour la communauté des ions froids (simulation et calcul quantique avec des ions piégés). Ils sont considéré la possibilité d'utiliser un gaz d'atomes ultrafroids pour refroidir sympathiquement les ions car la modulation intrinsèque du mouvement, le micromouvement, représente une source de décohérence dans les applications des ions froids. L'intérêt envers ce système mixte est aussi motivé par l'étude de la physique d'impuretés et par une meilleure compréhension des réactions entre espèces ioniques et neutre ayant pour but la création d'ions moléculaires. Cette thèse a pour objectif d'étudier les effets du micromouvement dans les collisions atome-ion. Nous traitons au préalable les collisions à 1D d'une particule dans un piège harmonique (un ion) et d'un particule libre (une atome) en utilisant différentes approches numériques. Ce système est intéressant en soi en raison de la dimensionnalité mixte 0D-1D. Le potentiel atome-ion est modélisé par une interaction à portée nulle tout au cours de ce travail. Par la suite, nous traitons un problème similaire mais dans le cas d'une particule dans un piège harmonique décrivant un piège de Paul. Enfin, nous généralisons l'étude du micromouvement à un système modèle 3D avec un ion dans un piège de Paul sphérique 3D et un atome lourd au centre du piège. Nous discutons de l'influence du micromouvement en vue d'applications potentielles de ce système telle que la porte logique de phase. / Ultracold atom-ion systems have been a topic of interest for atomic physicists studying chemical reactions and since recently, the cold ion community (ion trap quantum computation and simulation). They have been looking at the possibility of using an ultracold atom gas to sympathetically cool ions since intrinsic motional modulation i.e micromotion is an inherent cause of decoherence in coherent applications of cold ions. Interest is also piqued by the possibility of using this hybrid system for studying impurity physics and to better understand ion-neutral reactions aimed at creation of molecular ions. In this thesis, we aim to study the effect of ion micromotion in atom-ion collision. As a prelude, we treat the 1D collision of a particle in a harmonic trap (ion) and a free particle (atom) using different numerical schemes. This system is of interest in its own right due to the mixed 0D-1D dimensionality. Atom-ion potential is simplified to a zero range potential all through out the work. Next we deal with a similar problem but with the trapped particle in a time dependent harmonic trap identical to an ion Paul trap. Finally we extend the study of micromotion to a model system in 3D with an ion in a 3D spherical Paul trap and a heavy atom at the trap centre. We discuss the effect micromotion has on potential applications of such a system, like a quantum phase gate.

L'imagerie Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) est une technique bien connue dans les domaines de télédétection, de surveillance aérienne, de géologie et de cartographie. Obtenir des images de haute résolution malgré la présence de bruit, tout en prenant en compte les caractéristiques des cibles dans la scène observée, les différents incertitudes de mesure et les erreurs resultantes de la modélisation, devient un axe de recherche très important.Les méthodes classiques, souvent fondées sur i) la modélisation simplifiée de la scène ; ii) la linéarisation de la modélisation directe (relations mathématiques liant les signaux reçus, les signaux transmis et les cibles) simplifiée ; et iii) l'utilisation de méthodes d'inversion simplifiées comme la Transformée de Fourier Inverse (TFI) rapide, produisent des images avec une résolution spatiale faible, peu robustes au bruit et peu quantifiables (effets des lobes secondaires et bruit du speckle).Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche bayésienne pour l'inversion. Elle permettrais de surmonter les inconvénients mentionnés des méthodes classiques, afin d'obtenir des images stables de haute résolution ainsi qu'une estimation plus précise des paramètres liés à la reconnaissance de cibles se trouvant dans la scène observée.L'approche proposée est destinée aux problèmes inverses de l'imagerie RSO mono-, bi-, et multi- statique ainsi que l'imagerie des cibles à micromouvement. Les a priori appropriés de modélisation permettant d'améliorer les caractéristiques des cibles pour des scènes de diverses natures seront présentées. Des méthodes d'estimation rapides et efficaces utilistant des a priori simples ou hiérarchiques seront développées. Le problème de l'estimation des hyperparameters sera galement traité dans le cadre bayésin. Les résultats relatifs aux données synthétiques, expérimentales et réelles démontrent l'efficacité de l'approche proposée. / Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging is a well-known technique in the domain of remote sensing, aerospace surveillance, geography and mapping. To obtain images of high resolution under noise, taking into account of the characteristics of targets in the observed scene, the different uncertainties of measure and the modeling errors becomes very important.Conventional imaging methods are based on i) over-simplified scene models, ii) a simplified linear forward modeling (mathematical relations between the transmitted signals, the received signals and the targets) and iii) using a very simplified Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) to do the inversion, resulting in low resolution and noisy images with unsuppressed speckles and high side lobe artifacts.In this thesis, we propose to use a Bayesian approach to SAR imaging, which overcomes many drawbacks of classical methods and brings high resolution, more stable images and more accurate parameter estimation for target recognition.The proposed unifying approach is used for inverse problems in Mono-, Bi- and Multi-static SAR imaging, as well as for micromotion target imaging. Appropriate priors for modeling different target scenes in terms of target features enhancement during imaging are proposed. Fast and effective estimation methods with simple and hierarchical priors are developed. The problem of hyperparameter estimation is also handled in this Bayesian approach framework. Results on synthetic, experimental and real data demonstrate the effectiveness of the proposed approach.

Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.

La dégénérescence articulaire sévère de la hanche est une pathologie fréquente et son traitement ultime est le remplacement prothétique. L’arthroplastie la plus répandue au monde est la prothèse totale de hanche (PTH) avec un couple de frottement métal-sur-polyéthylène (MPE). Cependant ce type d’intervention présente une longévité limitée à cause de l’usure de PE et ne convient pas aux patients actifs souffrant de coxarthrose sévère tôt dans leur vie. Afin de palier à ce problème, une nouvelle génération de surfaces de frottement métal-sur-métal (MM) est actuellement employée. Ces surfaces de frottement sont utilisées en PTH avec tête de 28 mm, en resurfaçage (RH) et avec la PTH à tête de grand diamètre. Alors qu’il y a beaucoup d’évidence à l’égard du bon fonctionnement des implants PTH 28 mm et du RH, les données quant aux performances in vivo des PTH MM à grand diamètre manquent. Malgré cela, ces implants sont utilisés à grande échelle. Dans un premier temps, l’objectif de ce travail de recherche était d’évaluer l’effet et de comparer les taux d’ions chrome (Cr) et cobalt (Co) chez des sujets porteurs de PTH MM à grand diamètre à ceux de 64 porteurs de RH, tous deux possédant des surfaces de frottement aux propriétés tribologiques identiques. Dans un deuxième temps, nous avons comparé les taux ioniques (Cr, Co et titane (Ti)) entre quatre PTH MM à grand diamètre provenant de fabricants différents (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew et Biomet). Les mesures d’ions étaient effectuées dans le sang entier dans un laboratoire indépendant par la technique de spectrophotométrie de masse à haute résolution HR-ICP-MS, pour l’ensemble de ce travail de recherche. Les deux comparaisons ont démontré le rôle crucial joué par la modularité au niveau de la jonction tête-col des PTH MM à grand diamètre. En effet, des écarts considérables dans les concentrations ioniques de Co ont été retrouvés entre les RH et PTH Durom ayant un couple de frottement identique, ainsi qu’entre les 4 différents designs de PTH MM à grand diamètre comparés entre eux. La PTH MM à grand diamètre Durom était la moins favorable alors que celle de Biomet était la plus performante. Nos observations démontrent que des sources inattendues comme la jonction tête-col de certains implants PTH MM à grand diamètre peuvent contribuer au relargage ionique systémique. Une meilleure compréhension de ce phénomène est indispensable avant l’utilisation clinque de nouveaux implants de ce type. / The treatment for advanced degenerative hip disease consists in replacing the native joint with artificial implants. This is a very common procedure and the type of arthroplasty most practiced worldwide is metal-on-polyethylene (MOPE) total hip replacement (THR). However, this type of bearing has limited lifespan and is not adapted for active patients struggling with hip osteoarthritis early in their lives. In order to increase implant longevity, new generation, metal-on–metal (MOM) bearing surfaces is used nowadays in this particular population. These MOM bearings are used in 28 mm THR, in resurfacing hip arthroplasty (RH) and in large diameter head THR. Although consistent results have been obtained with the 28 mm THR and RH, large diameter head THR are increasingly used despite lack of scientific data about their performances. The main purpose of our first paper was to compare chromium (Cr) and cobalt (Co) concentrations among patients implanted with large diameter head THR and with RH. In this case, both bearing surfaces presented identical tribological properties. In the second paper, we compared performances in terms of ion release (Cr, Co and titanium (Ti)) from four different manufacturers of large diameter head THR systems (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew and Biomet). Whole blood was used for all samples and ion measurements were conducted by an independent laboratory in a blinded fashion, using high-resolution inductive coupled plasma mass spectrophotometry (HR-ICP-MS). Both papers have emphasized the crucial role played by modularity at the head-neck junction in metal ion release from large diameter THR MOM bearings. In fact, significant differences were found in Co ion concentration between large head THR and HRA as well as among the different designs of large head THRs. Briefly, the Durom large head THR system was the least favorable implant while the Biomet large head THR system showed the best results. Our results prove that systemic ion release might origin from surprising sources such as modularity at the head-neck junction in patients implanted with certain large head MOM THR systems. A better comprehension of head-neck junction biomechanics is necessary before clinical use of such new devices.