Au début de mon travail de thèse dans l'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton, l'intérêt du groupe était, d'un côté, la préparation et la manipulation des molécules de Césium créées via photoassociation, et de l'autre, à la préparation d'un échantillon de Césium à basse température et de grande densité dans un piége dipolaire. Initialement, j'ai participé aux études de realization du piége dipolaire atomique, et ensuite aux études de préparation et de manipulation des molécules. Dans la période entre Novembre 2006 jusqu'a Octobre 2008 j'ai développé une série de techniques différentes pour le chargement d'un piége dipolaire à partir d'un réservoir atomique, réalisé soit par un piége magnétique, soit par un piége du type 'Dark-SPOT', soit par C-MOT (piége magnéto-optique comprimé) et un mêlasse optique. Au commencement du mon travail, un BEC de Césium a été rapporté un seule fois [Web03], après des années des efforts de plusieurs équipes [Sod98, Boir98, Thom04]. De plus, l'intérêt sur l'atome de Césium a augmenté à cause des expériences liées à la formation de trimères de Césium et des résonances du type 'Efimof' [Lee07, Knoo08]. La stratégie sur laquelle notre approche pour le chargement du piége dipolaire était basée, est discutée dans une publication rédigée avant mon intégration au sein d'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton [Comp06]. Il s'agit d'un chargement à partir d'un réservoir obtenu par un piége magnétique. L'objectif de cette proposition était la préparation d'un échantillon ultra froid avec un dispositif expérimental beaucoup plus simple que celui de la référence [Web03]. De plus, la proposition [Comp06] prédit la préparation d'un condensat de Césium en un temps beaucoup plus court que les temps de préparation rapportée dans la référence [Web03]. L'étude de la réalisation expérimentale de cette proposition théorique a déjà commencé, dans le cadre de la thèse de G.Stern [Stern08]. J'ai continué cette étude et j'ai réalisé plusieurs études avec différents types de réservoir (Dark-SPOT, C-MOT) et aussi de un type de chargement différent qui est basé sur le refroidissement par bandes latérales (Raman-Sideband Cooling). Toutes les piéges préparés par ces méthodes, avait une densité inférieure a celle nécessaire pour la réalisation d'un processus de refroidissement évaporatif, qui est nécessaire pour la réalisation d'un condensat. Les problèmes techniques que nous avons rencontrés vers Mai 2008 (destruction de vide), nous ont conduit d'arrêter les études de refroidissement des atomes, et de s'orienter vers les études de manipulation des molécules de Césium. Pendant cette période, l'équipe avait beaucoup progressé dans manipulation des molécules de Césium, et plus spécifiquement sur la réalisation du refroidissement du degré de liberté qui correspond à la vibration des molécules. La nouvelle technique que l'équipe avait introduit et qui est rapporté à la référence [Vit08], permet le refroidissement de la vibration des molécules de Césium par un laser femtoseconde faconné, avec un processus de pompage optique [Kast66]. Mon objectif dans la thématique de la manipulation des molécules froides, était d'étudier la généralisation de cette technique. Par example le transfert de la population moléculaire dans un seul état vibrationnel pré – sélectionné a été observé. Ce résultat est discuté dans la référence [Sof09]. Une autre généralisation est la réalisation du refroidissement vibrationnel et du transfert de la population moléculaire avec une source de lumière non cohérente, résultat qui est discuté dans la référence [Sof09b]. Une autre généralisation importante est le refroidissement de la rotation moléculaire. Cette étude théorique est discutée dans les articles de l'équipe auxquels j'ai participé [Vit09, Sof09, Sof09c], et les études expérimentales préliminaires dans la référence [Fio09]. Finalement, la généralisation de la technique pour le refroidissement vibrationnel des molécules heteronucleaires est discuté dans le dernière chapitre de ma thèse. Le document de ma thèse est donc divisé en deux parties, dans chacune d'elles je discute en détails ma contribution scientifique dans l'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton.

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Ce travail concerne des guides d'ondes semiconducteurs pour la génération et l'oscillation paramétrique. Dans de tels guides, la conversion de fréquence est accordée en phase grâce à un noyau multicouche biréfringent GaAs/AlOx. Cette technique d'accord de phase a déjà permis la réalisation de plusieurs interactions optiques non linéaires, telles que la génération de seconde harmonique et de différence de fréquence, ainsi que la fluorescence paramétrique. A présent, l'objectif est la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré semiconducteur. Notre travail dans cette direction a porté principalement sur deux points.<br />Le premier point est l'optimisation du processus de fabrication. Le principal inconvénient des guides d'ondes GaAs/AlOx sont les larges pertes par diffusion provoquées par la rugosité des couches oxydées. De telles pertes ont pénalisé l'efficacité de dispositifs nonlinéaires intégrés déjà démontrés et empêché jusqu'à présent l'accomplissement de l'oscillation paramétrique. Dans le but d'améliorer la transmission des guides, un nouveau schéma de fabrication et d'oxydation a été introduit, et les résultats obtenus ont été systématiquement vérifiés par des mesures des pertes. Celles-ci ont été réduites, de manière reproductible, à 0.4 cm-1.<br />Le deuxième point est la caractérisation nonlinéaire des guides. Nous avons démontré la fluorescence paramétrique avec une accordabilité entre 1.7 et 2.7 micron et une efficacité de conversion comparable à celle des meilleurs guides en niobate de lithium. En plus de cela, nous avons exploité les interactions de génération de seconde harmonique et d'amplification paramétrique pour étudier précisément le gain paramétrique dans nos guides. A la dégénérescence nous avons mesuré un coefficient de gain paramétrique ≈ 4 cm-1 W-1/2 et démontré une amplification paramétrique G = Ps(L)/Ps(0) - 1 ≈ 4.5%.<br />Ces résultats sont très encourageants pour la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré. Sur la base de nos valeurs de pertes et de gain paramétrique nous estimons que la réflectivité des facettes requise pour atteindre le seuil d'oscillation, dans une configuration doublement résonante, est inférieure à 90%. Un premier essai de fabrication de miroirs intégrés a été effectué et le travail dans cette direction se poursuit actuellement au sein du laboratoire MPQ.

Ce travail traite principalement de la compréhension des phénomènes d'endommagement laser dans les composants pour l'optique (silice, couches minces...). Afin d'appréhender ces phénomènes, un dispositif expérimental original pour le test de tenue au flux laser de l'UV à l' IR en régime nano-seconde a été développé. Il combine l'utilisation de faisceaux focalisés et d'une métrologie fine; ces deux points permettent d'une part, de réaliser une étude de l'endommagement de manière localisée, et d'autre part, d'accéder aux paramètres de tirs et à l'image de la zone irradiée en temps réel, affinant ainsi la détection des dommages.<br />L'utilisation de ce dispositif a permis de mettre en évidence, grâce au tracé précis de courbes de probabilité d'endommagement, l'existence de sites précurseurs à l'endommagement laser. Un modèle statistique a été proposé pour permettre d'accéder aux densités de ces sites et aux différents types de défauts mis en jeux dans le processus de claquage. L'évolution de ces précurseurs sous irradiations multiples est également étudiée avec ce même modèle. Cette observation sous tirs cumulés permet d'aborder les mécanismes de conditionnement laser et également d'évaluer la durée de vie des optiques en fonction des paramètres de tirs.<br />Un deuxième volet du travail a consisté à mettre en évidence de manière non destructive le rôle des centres initiateurs de l'endommagement. Pour cela deux méthodes photothermiques ont été mises en œuvre: la diffusion induite sous flux laser ainsi que la microscopie photothermique haute résolution couplée au dispositif d'endommagement.<br />Enfin, des échantillons modèles comportant des inclusions métalliques de tailles nanométriques ont été utilisés pour simuler la présence de sites précurseurs. L'utilisation du microscope photothermique sur ces échantillons a permis pour la première fois de révéler non seulement le rôle des précurseurs artificiels, mais également l'existence d'une étape de « pré-endommagement » dans le matériau irradié. Des comparaisons entre simulation numérique et expériences permettent de proposer des hypothèses sur les mécanismes initiateurs conduisant au claquage.

Ce mémoire d'habilitation présente mes travaux de recherche, du<br />début de ma thèse jusqu'à présent. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première présente mes travaux de thèse et une partie des résultats obtenus pendant mon séjour post-doctoral à l'Université de Hambourg. En particulier, cette partie contient<br />les résultats de ma recherche sur le rôle des cohérences à basse<br />fréquence en spectroscopie laser.<br />Les sujets abordés ont été le piégeage cohérent de population, les résonances brillantes, la préparation et la manipulation d'états quantiques en utilisant des états noirs dépendant du temps, et l'étude des effets de cohérence à basse fréquence dans la spectroscopie de transport des boîtes quantiques couplées par effet tunnel.<br /><br />La deuxième partie de ce mémoire présente mon travail de recherche<br />sur les réseaux d'atomes froids. Le sujet principal de cette recherche a été la dynamique des atomes dans les réseaux optiques. Le mouvement diffusif des atomes, la relaxation de leur énergie cinétique, et leurs modes de propagation ont été étudiés. Les progrès faits dans la compréhension de la dynamique atomique dans les réseaux optiques ont été ensuite exploités pour expliquer l'origine de la résonance Rayleigh dans le spectre d'absorption des atomes piégés dans le réseau. De plus, nous avons utilisé les réseaux optiques comme système modèle pour des phènomènes de physique non-linéaire. Nous avons ainsi étudié la résonance stochastique dans un réseau périodique, et la diffusion dirigée dans un potentiel symétrique.

Bien que grandement complexes, les animaux, les tissus vivants et les cellules, la plus petite unité de vie, sont assujettis aux lois de la physique. Dans les tissus vivants, des processus de régulation permanents ou transitoires, tels que des interactions biochimiques et mécaniques entre une cellule isolée et son environnement, sont essentiel au développement et au maintient de la structure et des fonctions du tissu. Ces interactions interviennent dans des processus biologiques tel que la différentiation cellulaire et l'expression génétique. Les cellules cancéreuses et les métastases échappent au contraire à toutes régulations. Elles prolifèrent et migrent à travers les tissus, ignorant les signaux de régulation environnant. Leurs propriétés mécaniques et d'adhésion sont très différentes de celles des cellules saines. L'étude suivante présente différentes expériences qui cherchent à mimer les conditions in vivo en appliquant un stress uniaxial à une cellule isolée sous conditions physiologiques. Simultanément, la force appliquée à la cellule, sa déformation et sa forme, sont mesurées. La déformation uniaxiale est appliquée à une cellule isolée adhérant sur deux plaques de verre. De tels essais mécaniques réalisés à constante déformation ou à constante force permettent la quantification des propriétés mécaniques cellulaire et une description physique des données par le modèle de Kelvin. Des lipides bioactifs tel que la sphingosylphosphorylcholine et l'acide lysophosphatidique, modifient l'architecture du cytosquelette. Ces modifications influencent fortement les propriétés mécaniques des fibroblastes ou les cellules cancéreuses du pancréas.

Les assemblages dynamiques d'actine sont à l'origine de forces intracellulaires présentes tant dans les processus physiologiques que pathologiques comme l'invasion tumorale. Pour s'échapper du foyer primaire, les cellules néoplasiques étendent une protrusion grâce aux forces générées par polymérisation d'actine dirigée puis exercent des forces de traction via des câbles composés d'actine et de myosine. Le but de cet étude est de caractériser ces forces par micromanipulation. Dans une première partie, nous décrivons une étude préliminaire de la traction cellulaire par une expérience d'étirement uniaxial sur fibroblaste unique. Les forces générées par polymérisation d'actine font l'objet de la deuxième partie de ce travail. La bactérie Listeria monocytogenes a été largement utilisée comme modèle pour identifier les composants biochimiques de la polymérisation dirigée d'actine. Afin de mesurer directement les forces mises en jeu dans ce processus, nous avons développé une expérience de micromanipulation sur un système qui mime la propulsion de cette bactérie. Une comète croissant à partir d'une bille recouverte de protéine et fixée à un senseur de force est maintenue grâce à une micropipette. Nous appliquons à ce système des forces de traction ou de compression de plusieurs nanonewtons. Une sollicitation rapide nous permet de mesurer le module d'élasticité de la comète et la force d'adhésion entre la comète et la bille. La relation force vitesse du système est déterminée, par l'application d'une force constante, et expliquée à partir d'une analyse élastique qui permet de comprendre la robustesse d'un tel mouvement. Enfin la transition vers une instabilité dynamique de type stick-slip est mise en évidence en variant la vitesse imposée au système.

Cette thèse a pour but de déterminer dans un certain nombre de cas l'importance de la prise en compte des effets transverses dans les modélisations des dispositifs lasers. Dans un premier temps, il est démontré la possibilité de mettre en forme le profil radial d'intensité d'un faisceau laser en utilisant des optiques diffractives de phase dites binaires. Trois applications concrètes seront développées : la « circularisation » d'un faisceau elliptique, la « rectangularisation » d'un faisceau circulaire et la génération d'un anneau de lumière polarisé radialement. Dans un second temps, nous montrons qu'une prise en compte rigoureuse des effets transverses est en mesure d'expliquer le comportement auto-déclenché d'un laser Cr:LiSAF, de justifier la présence d'une zone de bistabilité optique dans la caractéristique puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe pour les lasers à base de verres phosphates codopés erbium et ytterbium fortement dopés. De plus, la prise en compte de la diffraction sur le profil de gain a permis d'expliquer l'apparition d'un mode fondamental annulaire dans un laser Nd:YVO4. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude des lasers déclenchés passivement fonctionnant à 1,5µm. Une base de données expérimentales a été constituée avec un grand nombre d'absorbants saturables de nature différente testés. Cette base de données a permis de tester la fiabilité des modèles intégrant des degrés de complexité croissants dans la prise en compte des effets transverses.

L'argile est utilisée avec des polymères en solution dans de nombreuses applications telles que les boues de forage ou encore pour rendre les fibres textiles résistantes au feu. Du fait de la structure très particulière des particules d'argile, avec plusieurs échelles d'association de feuillets, les propriétés rhéologiques de dispersions d'argile dans des solutions de polymère dépendent fortement de l'histoire mécanique du matériau. Une étude de vieillissement des dispersions d'argile dans les solutions aqueuses de CMC a montré l'effet du temps, en particulier sur l'existence d'un seuil de contrainte et son évolution. Les mesures rhéologiques mettent en évidence des comportements de type " gel ". Ils résultent de la formation, au sein du fluide, de réseaux élastiques de nature différente selon la phase continue utilisée. Dans l'eau, les particules partiellement exfoliées s'associent entre elles selon des mécanismes qui dépendent du pH. Alors que dans la solution de polymère, il semble que des agrégats de particules soient connectés entre eux par l'intermédiaire des chaînes macromoléculaires. L'influence de la température et du pH sur les propriétés rhéologiques a été examinée. Plusieurs expériences indépendantes ont montré une évolution non monotone des caractéristiques mécaniques des fluides lorsque la température augmente. Ceci peut s'expliquer en invoquant un accroissement de la mobilité des chaînes favorisant l'ouverture des agrégats se dissociant en agrégats de plus petite taille. Le contrôle du pH quant à lui permet de modifier les interactions particule-particule et particule-polymère et, de ce fait, d'agir sur les propriétés mécaniques des gels formés.

Durant ces 6 dernières années, ma thématique principale de recherche s'est d'abord focalisée sur l'étude de la stabilité et des processus de fragmentation de fullerènes et des agrégats de fullerènes, puis dans celle de la stabilité et de la réactivité de molécules ou de systèmes d'intérêt biologique.<br />Un des principaux résultats de ces études concerne les agrégats moléculaires de fullerènes, qui sont en principe des agrégats de type van der Waals, donc faiblement liés et surtout électriquement isolants. Nous avons montré que les espèces stables multiplement chargées, formées suite à des collisions avec des ions lents multichargés, qui ne subissent par ailleurs aucune modification structurelle profonde suite à leur chargement par impact d'ions, deviennent contre toutes attentes de bons conducteurs électriques ! <br />Les autres observations majeures obtenues dans ces recherches sont reliées la compréhension des mécanismes responsables à l'échelle moléculaire, en phase gazeuse, de l'endommagement de systèmes moléculaires d'intérêt biologique, suite à une irradiation avec des ions. Ces études ont notamment montré : d'une part, que certains mécanismes de reconnaissance moléculaire persistent en phase gazeuse, et d'autre part, que même la présence d'un environnement biochimique simplifié modifie fortement la dynamique de l'instabilité de la charge de ces molécules d'intérêt biologique.