Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ – e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 – 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 – 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ – e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie. / During the next few years experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will continue to explore carefully fundamental high energy physics principles at a an energy domain which has never been reached before. Possible designs for the next-generation lepton Linear Collider (LC) based on e+–e- collisions have already been proposed to perform high precision studies complementary to the LHC. In this framework, there are two large projects: the International Linear Collider (ILC) exploring a centre-of-mass energy range of de s = 0.5 – 1 TeV and the Compact Linear Collider (CLIC) expected to operate at s = 0.5 – 3 TeV. The physics programme of the future LC will benefit strongly of colliding both polarised electron and positron beams. This thesis introduces the polarized positron source as one of the key element of the future LC. In this context, the different schemes of the polarized positron source are described highlighting the main issues in this technology. In particular, the main focus is on the Compton based positron source adopted by the CLIC as a preferred option for the future positron source upgrade. In this case, the circularly polarized high energy gamma rays resulting from Compton scattering are directed to a production target where an electromagnetic cascade gives rise to the production of positrons by e+–e- pair conversion. To increase the efficiency of the gamma ray production stage, a multiple collision point line integrated in energy recovery linac is proposed. The simulations of the positron production, capture and primary acceleration allow to estimate the positron production efficiency and provide a simple parametrization of the Compton based polarized positron source in the view of the future LC requirements. The storage ring based Compton source option, so-called Compton ring, is also described. The main constraint of this scheme is given by the beam dynamics resulting in the large energy spread and increased bunch length affecting the gamma ray production rate. An original theoretical contribution is shown to calculate the energy spread induced by Compton scattering. Moreover, an experiment to test the gamma ray production by Compton scattering using a state-of-art laser system developed at LAL has been conducted in the framework of the "MightyLaser" project at the ATF, KEK. The experimental layout as well as the main results obtained are discussed in details. The studies carried out in this thesis show that the polarized positron source based on Compton scattering is a promising candidate for the future LC polarized positron source. To attain the required performance, further developments and R&D in field of the high power laser systems, optical cavities and high current electron accelerators such as the energy recovery linacs should be pursued in the future.

Dans ce mémoire sont présentées plusieurs méthodes de refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège optique à faible taux de diffusion, le piège dipolaire croisé. Le piège est constitué de deux faisceaux focalisés croisés issus d'un laser Nd:YAG. Les atomes, dans l'un des sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental, restent confinés au croisement des foyers pendant une à deux secondes. Les densités accessibles sont élevées 10^12 atomes/cm3 environ). Pour manipuler ces atomes, on utilise la transition Raman stimulée à deux photons entre les états hyperfins. Une nouvelle forme d'impulsion très efficace reposant sur un transfert adiabatique entre ces niveaux a été mise au point au cours de ce travail. Cette impulsion est utilisée dans toutes les expériences de refroidissement décrites dans cette thèse.<br /><br />Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau.<br /><br />Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).

Nous présentons une étude expérimentale et théorique du pompage optique de l'hélium-3 par échange de métastabilité dans un champ magnétique de 1.5 Tesla entre 1 et 67 mbar. Une étude systématique nous permet de déterminer les conditions expérimentales favorables au pompage optique. A 1.5 Tesla, des polarisations nucléaires élevées et des taux de pompage importants sont obtenus à forte pression, ce qui étend le domaine d'applicabilité du pompage optique par échange de métastabilité. Une modélisation réaliste nous permet de comprendre les effets des divers processus entrant en jeu dans la physique du pompage. Nous montrons qu'en dépit du découplage hyperfin, le pompage optique à 1.5 Tesla conserve les propriétés intrinsèques de haut rendement quantique du pompage optique par échange de métastabilité habituel. L'étude comparée des valeurs expérimentales et théoriques de la polarisation nucléaire met en évidence un processus de relaxation de la polarisation dont le taux augmente avec la densité d'atomes dans le niveau excité<br />2 3P et avec la pression.

Le nucléon est décrit par QCD comme étant constitué de trois quarks de valence (de saveur up et down) et d'une mer constituée de gluons et de paires de quark – antiquark de toutes saveurs. Le quark étrange est le meilleur candidat pour l'étude de cette mer dont la contribution à la structure du nucléon est à l'heure actuelle mal connue. Il est en effet le plus léger des quarks n'ayant pas de contribution de valence. Expérimentalement, cette étude est effectuée dans trois secteurs différents reliés à la masse, aux distributions de charge et de courant du nucléon, et au spin du nucléon. Cette thèse présente les expériences G0 au laboratoire Thomas Jefferson (USA) et SAMPLE au laboratoire MIT-Bates qui mesure l'asymétrie de violation de parité en diffusion élastique d'électrons polarisés sur une cible de nucléons. De ces mesures, il est possible d'extraire la contribution étrange aux distributions de charge et de courant dans le nucléon ainsi que le facteur de forme axial du nucléon. Dans ce manuscrit, nous décrivons le formalisme relatif à la sonde électrofaible et donnons également un panorama des différentes prédictions théoriques. Nous avons étudié l'origine des changements systématiques des propriétés du faisceau d'électrons et développé des systèmes de correction permettant de réduire leurs effets au niveau de l'expérience. Nous détaillons le dispositif expérimental de l'expérience G0 ainsi que les études de bruit de fond et leurs implications sur la stratégie expérimentale. Nous présentons finalement le dispositif expérimental de l'expérience SAMPLE et l'analyse des données qui a permis de déterminer le facteur de forme axial du nucléon. Cette quantité est peu contrainte par les prédictions théoriques dû aux contributions des ordres supérieurs de diffusion difficilement calculables théoriquement. Ce facteur de forme intervenant dans la mesure d'asymétrie de violation de parité, sa détermination expérimentale est importante.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et élaborer des outils innovants, baptisés nano-antennes (NAs), pour sonder le champ électromagnétique optique au voisinage des structures de la nanooptique. Une NA est ici une nanostructure métallique placée à l'extrémité d'une sonde locale fonctionnant en mode collection. Une telle structure joue le rôle de relais entre le champ électromagnétique optique à la surface de l'échantillon et la sonde locale, attribuant à la sonde une sensibilité spécifique vis-à-vis du champ électromagnétique vectoriel. Les nano-antennes seront conçues de manière à fournir une information optique encore inaccessible par le biais de la microscopie en champ proche conventionnelle, pour répondre aux besoins actuels et futurs de la nano-optique. Dans la première partie, nous proposons une nouvelle configuration de sonde locale la nano-ouverture papillon complément d'une nano-antenne papillon et nous exposons sa fabrication aux dimensions spécifiques, à l'extrémité d'une fibre optique en polymère. Dans la deuxième partie, nous présentons une nouvelle configuration de microscopie en champ proche permettant l'accès aux lignes de champs électriques et magnétiques optiques 3D au dessus d'un échantillon, avec une résolution sub-longueur d'onde. Le microscope proposé permet de cartographier simultanément et indépendamment les distributions des amplitudes complexes des deux composantes du champ électrique transverse. La dernière partie est consacrée à l'application d'une méthode numérique dite FDTD afin d'étudier le comportement spectral et l'origine de l'exaltation au niveau de la partie centrale d'une nano-ouverture papillon.

Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ - e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 - 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 - 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ - e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'injection et de la collection d'électrons polarisés en spin dans le silicium. Différentes études ont été menées dont les principaux résultats sont présentés. Dans toutes ces études, une structure Métal ferromagnétique/ Isolant/Si (FM/I/S) a été utilisée. La première de ces études porte sur l'existence éventuelle d'une couche “magnétiquement morte” à l'interface Métal ferromagnétique/Isolant qui pourrait aboutir à la dépolarisation des électrons injectés. Dans la seconde étude, les propriétés magnétiques des électrodes ferromagnétiques qui sont utilisées pour l'injection et la collection des électrons polarisés sont analysées. La troisième étude est focalisée sur la contamination de la barrière isolante et du silicium par les métaux 3d du métal ferromagnétique. Ces résultats soulignent l'importance du contrôle de la contamination pour l'obtention de structures Métal ferromagnétique/Isolant/ Si de bonne qualité, un prérequis pour avoir un mécanisme de transport de tunnel direct qui conserve le spin. Dans la dernière étude, des caractérisations capacité-tension et courant-tension sont effectuées sur les structures Métal ferromagnétique/ Isolant/Si. Les résultats électriques montrent que la conduction est assistée par des pièges dans l'oxyde dont l'origine est probablement liée à la présence des métaux 3d dans la barrière isolante. Finalement, un dispositif test a été fabriqué et testé dans le but de mettre en évidence un signal de magnétorésistance.

Le problème typique du physicien théoricien, tel qu'il peut être décrit dans certains manuels scolaires, consiste à rendre compte de faits expérimentaux et d'observations à l'aide d'un modèle théorique. L'expérimentateur (qui peut être la même personne) quant à lui valide ou invalide le modèle au moyen de nouvelles expériences. Pour le physicien et épistémologiste Thomas S. Kuhn (''La structure des révolutions scientifiques'', 1960), cette vision du progrès scientifique qui suppose, notons le en passant, que l'on ait affaire à des théories réfutables au sens de Popper, est quelque peu naïve. En effet, expérimentateurs et théoriciens sont déjà de connivence pour accepter les mêmes paradigmes au sens de Kuhn, c'est-à-dire en particulier qu'il y a accord, en général tacite, sur les problèmes susceptibles d'être formulés. Ils répondent malgré eux à des questions qu'ils ne se sont pas posés. Notre travail s'inscrit dans le cadre orthodoxe de la théorie quantique. Nous avons cependant tenté de répondre à quelques questions que l'on omet généralement de poser. Ceci aussi bien au niveau des méthodes et des concepts de la chimie théorique qu'au niveau de l'analyse de données expérimentales. Par exemple, dans nos travaux théoriques nous nous sommes demandé si la définition de certains concepts tenus pour fondamentaux était véritablement indépendante de toute approximation ou représentation arbitraire, et inversement si d'autres concepts supposés liés à une approximation particulière, ne pouvaient pas être étendus ou avoir une signification plus profonde que celle qu'on leur accorde habituellement (cas des surfaces de Born-Oppenheimer). Dans nos travaux d'analyse de données nous avons tenté de remonter à des données expérimentales aussi brutes que possible pour éviter les biais que peuvent introduire les traitements qu'elles subissent. Ces traitements sont fonctions des modèles physiques auxquels les données sont supposées se conformer et que nous avons remis en question. Depuis notre thèse, nous nous sommes efforcé de maintenir un équilibre entre une recherche fondamentale tournée vers la théorie et permettant de voir de façon plus synthétique ou plus critique, certains aspects de la chimie quantique, et une recherche tournée vers l'expérience et les applications astrophysiques. La présentation de nos travaux s'articulera donc naturellement sur deux volets. Notons aussi que cette présentation n'est pas exhaustive. En particulier nous n'aborderons pas ici nos travaux sur les hydrocarbones polycycliques aromatiques qui entrent dans une des thématiques traditionnelles de notre laboratoire. Notre exposé se limitera aux principaux projets de recherches dont nous avons eu l'initiative et qui ont donné lieu à des collaborations, (à l'exception de notre travail sur les bases flottantes dont il ne sera pas non plus question dans cette présentation). Ce choix nous a paru conforme à l'esprit de l'habilitation à diriger des recherches.

L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes de transport dépendant du spin qui interviennent lorsque des électrons énergétiques et polarisés de spin sont injectés depuis le vide dans des jonctions Schottky Pd / Fe / GaAs. L'expérience que nous avons réalisée consiste à mesurer l'intensité du courant transmis au travers de la couche magnétique et de la barrière Schottky en fonction de l'énergie d'injection. Pour des énergies d'injection comprises entre quelques eV et 1 keV au-dessus du niveau de Fermi, nous avons mis en évidence des effets tout à fait inattendus. D'une part, la transmission, qui est de 10^(-5) environ à basse énergie d'injection, augmente sur plus de 5 ordres de grandeur pour des électrons d'énergie 1 keV. On se trouve alors dans une configuration où le courant collecté dans le semi-conducteur est supérieur au courant injecté depuis le vide. D'autre part, la dépendance en spin de la transmission augmente sur 4 ordres de grandeur dans le domaine d'énergie sondé.

Les progrès techniques réalisés dans le cadre des expériences sur les gaz de fermions ultrafroids ont engendré une émulation particulièrement importante ces dernières années. En effet, ces dispositifs expérimentaux permettent de produire des systèmes gazeux ≪ à la carte ≫, notamment grâce au phénomène de résonances de Feshbach qui permet de contrôler le signe de la longueur de diffusion a par application d'un champ magnétique extérieur. Il est alors possible de générer aussi bien une interaction attractive (a < 0) que répulsive (a > 0). La résonance de Feshbach en elle-même se trouve en a → ±∞, cette limite correspondant à un régime de fortes corrélations entre les particules. De plus, dans la région où a est positive, des états lies moléculaires (bosoniques car formés de deux fermions) peuvent se former. En-dessous d'une certaine température, une phase superfluide peut alors apparaitre, et une transition de phase continue entre l'état bosonique et l'état fermionique peut être observée (BEC-BCS crossover). En fonction de la position dans le diagramme de phases, les modes collectifs possèderont des caractéristiques (fréquence, amortissement) différentes. En ce sens, ils constituent une sonde de l'état de la matière et une connaissance précise de ces modes est par conséquent très importante. Le travail présenté dans cette thèse comporte une caractérisation détaillée de plusieurs modes collectifs dans la phase normale du système atomique. L'étude repose principalement sur l'équation de Boltzmann, que nous résolvons de deux façons différentes. La première consiste à utiliser une méthode des moments ≪ améliorée ≫ (c'est-à-dire d'ordre supérieur). La seconde est numérique et a nécessité l'écriture d'un programme de simulation permettant l'incorporation de tous les effets de milieu (potentiel de champ moyen et section efficace). Une attention toute particulière a été apportée à la mise en place des simulations afin de reproduire le plus fidèlement possible les conditions expérimentales. Les techniques expérimentales permettent également désormais la création de gaz polarisés. Nous présenterons donc dans ce travail une étude de ces gaz utilisant notre programme de simulation (mise en évidence des différents régimes de collision), puis une étude plus théorique ayant pour principal objectif d'établir le diagramme de phase encore méconnu de ces gaz particuliers, et enfin de proposer une méthode de calcul des effets de milieu, les techniques habituelles utilisées pour les gaz non polarisés n'étant plus valables / Technical progress on ultra-cold Fermi gases experiments induced numerous studies for the last few years. Using these experimental setups, it is effectively possible to generate ultra-cold gases with selected properties, in particular through the Feshbach resonances phenomenon. This allows us to set the sign of the scattering length a using an external magnetic field. It is then possible to have an attractive interaction (a < 0) as well as a repulsive one (a > 0). The Feshbach resonance itself is defined for infinite values of a (positive or negative), which corresponds to a strongly interacting regime. Moreover, when a > 0, molecular bound states (bosonic because they are made with two fermionic atoms) can appear. Thus, below a critical temperature, a superfluid phase can emerge and a crossover can be observed (from the BEC to BCS superfluid states). Depending on the position on the phase diagram, frequency and damping of collective modes will be different. This is why the collective modes are good probes of the system phase. A precise extensive knowledge of their characteristics is thus very important. This thesis presents a complete study of some of these collective modes in the normal phase. This work mainly relies on the Boltzmann equation which will be solved in two different ways: firstly, with an improved (higher order) version of the so-called moments method; secondly with a numerical solution that has required to write a numerical code in order to take into account the in-medium effects (mean field potential and in-medium cross section). Particular attention has been paid to numerical simulations in order to reproduce as closely as possible the experimental conditions. Moreover, experimental procedures now allow to create spin unbalanced gases. We have shown in this work a study of these systems using the numerical resolution of the Boltzmann equation. Moreover, we have developed a theoretical approach in order to build the phase diagram of these polarized gases, which is not fully described yet. Finally, we have suggested a method to determine the in-medium effects, with the aim to solve the problem emerging with the usual method used in the balanced case