Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.

This thesis, submitted to the University of Manchester, covers a range of topics related to current research in two-dimensional materials under the title: 'Investigations into the interfacial interaction of graphene with hexagonal boron nitride.'In the last decade, two-dimensional materials have become a rich source of original research and potential applications. The main advantage lies in the ability to produce novel composite structures, so-called 'layered heterostructures', which are only a few atomic layers thick. One can utilise the unique properties of several species of crystal separately, or how they interact to realise a diverse range of uses. Two such crystals are graphene and hexagonal boron nitride. Hexagonal boron nitride has, so far, been used primarily as a substrate for graphene, allowing researchers to get the most out of graphene's impressive individual properties. However, in this thesis, the non-trivial van der Waals interaction between graphene and hexagonal boron nitride is examined. The interface potential reveals itself as a relatively large-scale, orientation-dependant superlattice, which is described in chapters 1 and 2.I In Chapter 4, the effect of this superlattice is examined by measurement of its effect upon the electrons in graphene, where its modulation leads to the creation of second and third generation Dirac points, revealing Hofstadter's Butterfly. As well as an excellent example of the physics possible with graphene, it also presents a new tool with which to create novel devices possessing tailored electronic properties. II In chapter 5, the consequential effect of the superlattice potential on the structure of graphene is studied. Results are discussed within the framework of the Frenkel-Kontorova model for a chain of atoms on a static background potential. Results are consistent with relaxation of the graphene structure leading to the formation of a commensurate ground state. This has exciting consequences for the production of heterostructures by demonstrating that alignment angle can have large effects upon the physical properties of the crystals. III In chapter 6, the van der Waals potential is shown to be responsible for the self-alignment of the two crystals. This effect is important for the fabrication of perfectly aligned devices and may lead to new applications based on nanoscale motion.

This thesis presents several experiments, generally aiming at visualising the ballistic and topological transport on the high-mobility graphene/boron nitride heterostructure using the scanning gate microscope. For the first experiment, we use the scanning gate microscopy to map out the trajectories of ballistic carriers in high-mobility graphene encapsulated by hexagonal boron nitride and in a weak perpendicular magnetic field. We employ a magnetic focusing transport configuration to image carriers that emerge ballistically from an injector, follow a cyclotron path due to the Lorentz force from an applied magnetic field, and land on an adjacent collector probe. The local potential generated by the scanning tip in the vicinity of the carriers deflects their trajectories, modifying the proportion of carriers focused into the collector. By measuring the voltage at the collector while scanning the tip, we are able to obtain images with arcs that are consistent with the expected cyclotron motion. We also demonstrate that the tip can be used to redirect misaligned carriers back to the collector. For the second experiment, we investigate the graphene van der Waals structures formed by aligning monolayer graphene with insulating layers of hexagonal boron nitride which exhibit a moiré superlattice that is expected to break sublattice symmetry. However, despite an energy gap of several tens of millielectronvolts opening in the Dirac spectrum, electrical resistivity remains lower than expected at low temperature and varies between devices. While subgap states are likely to play a role in this behaviour, their precise nature is still unclear in the community. We therefore perform a scanning gate microscopy study of graphene moiré superlattice devices with comparable activation energy but with different charge disorder levels. In the device with higher charge impurity ($\sim$ 10$^-$ cm$^{-2}$) and lower resistivity ($\sim$ 10 k$\Omega$) at the Dirac point we observe scanning gate response along the graphene edges. Combined with simulations, our measurements suggest that enhanced edge doping is responsible for this effect. In addition, a device with low charge impurity ($\sim$ 10$^{9}$ cm$^{-2}$) and higher resistivity ($\sim$ 100 k$\Omega$) shows subgap states in the bulk. Our measurements provide alternative model to the prevailing theory in the literature in which the topological bandstructures of the graphene moiré superlattices entail an edge currents shunting the insulating bulk. In the third experiment, we continue our study in the graphene moir$\acute e$ superlattices with the newly reported non-local Hall signals at the main Dirac point. It has been associated with the non-zero valley Berry curvature due to the gap opening and the nonlocal signal has been interpreted as the signature of the topological valley Hall effects. However, the nature of such signal is still disputed in the community, due to the vanishing density of states near the Dirac point and the possible topological edge transport in the system. Various artificial contribution without a topological origin of the measurement scheme has also been suggested. In connection to the second experiment, we use the scanning gate microscope to image the non-local Hall resistance as well as the local resistance in the current path. By analysing the features in the two sets of images, we find evidence for topological Hall current in the bulk despite a large artificial components which cannot be distinguished in global transport measurement. In the last experiment, we show the development of a radio-frequency scanning impedance microscopy compatible with the existing scanning gate microscopy and the dilution refrigerator. We detailed the design and the implementation of the radio-frequency reflectometry and the specialised tip holder for the integration of the tip and the transmission lines. We demonstrate the capability of imaging local impedance of the sample by detecting the mechanical oscillation of the tip, the device topography, and the Landau levels in the quantum Hall regime at liquid helium temperature and milli-Kelvin temperature.

Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.

Les MEMS et NEMS (Micro et Nano ElectroMechanical Systems) connaissent un développement important notamment dans le cadre de la Nanomécanique. Le bon fonctionnement de ces MEMS/NEMS est soumis au contrôle des interactions de surfaces séparées par des distances de l'ordre de 100 nm à 1 Μm. A cette échelle, les forces dominantes peuvent être de nature variée (Van der Waals, Casimir, électrostatique, magnétique,...). Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale par AFM des interactions électrostatiques et de Van der Waals/Casimir entre une microsphère et une surface d'or. Une attention particulière a été apportée à la préparation et à la caractérisation des sondes (microsphère collée sur un microlevier). Ensuite, à partir de l'analyse du bruit et de la sensibilité du système de mesure, nous avons pu montrer notre capacité à mesurer des forces faibles avec une résolution inférieure au piconewton. Par une détection statique, nous avons mesuré précisément des forces capacitives de l'ordre de quelques dizaines de piconewton et pour des distances comprises entre 100 et 500 nm. Nous avons mesuré et quantifié les effets de la déflexion du microlevier sur la détermination de la distance sphère-surface. Par des mesures dynamiques, nous avons étudié le couplage entre un oscillateur (sphère-microlevier) excité mécaniquement ou thermiquement et une surface sous l'effet de la force de Casimir. Enfin, les mesures en mode dynamique, nous ont permis d'aborder l'étude des mécanismes de dissipation associés aux interactions à longue distance. Nous avons ainsi observé la dissipation par couplage électromécanique.

L'idée qui consiste à traiter séparément les parties courte- et longue portée de l'interaction électronique dans la théorie de la fonctionnelle de la densité, par une fonctionnelle de la densité d'une part, et par une description par fonction d'onde d'autre part s'est largement développée récemment. Ce schéma conduit naturellement à la construction d'une fonctionnelle hybride d'un nouveau type, avec la combinaison d'une énergie d'échange de longue portée explicite et d'une fonctionnelle d'échange-corrélation de courte portée appropriée. L'ajout, dans une approche perturbative, d'un terme rendant compte des corrélations dynamiques de longue portée, se présente comme une solution alternative au problème fondamental de l'incorporation des forces de dispersion dans la méthode de la fonctionnelle de la densité, applicable aussi bien au niveau moléculaire qu'en conditions périodiques.

Dans un processus de photoassociation, deux atomes froids de césium absorbent un photon au cours de leur collision pour former une molécule froide électroniquement excitée dans un niveau de rotation et de vibration défini. L'énergie cinétique initiale des atomes libres étant très faible, le processus est résonnant et permet d'effectuer une spectroscopie à haute résolution qui donne accès à des niveaux de vibration de grande élongation, proches de la limite de dissociation. Nous présentons dans cette thèse les spectres des états corrélés à la limite 6S+6P et mettons en évidence le caractère purement longue distance de l'état 1u (6S+6P3/2). Cet état consiste en une paire d'atomes uniquement lié à 1,5 nm par l'interaction électrostatique multipolaire. La modulation de l'intensité des raies pour une progression vibrationnelle donnée reflète la structure nodale de la fonction radiale en onde s de deux atomes en collision dans l'état fondamental. La photoassociation par excitation de l'état 0g-(6S +6P3/2) d'atomes polarisés permet de déterminer les valeurs de la longueur de diffusion de l'état triplet du césium (aT = -530 a0) et du coefficient de Van der Waals de l'état fondamental moléculaire (C6 = 6510 u.a.). La photoassociation d'atomes froids de césium permet aussi la formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet ou triplet après émission spontanée des molécules photoassociées. Différents schémas de formation sont caractérisés. Notament, les potentiels en double-puits 0g-(6S+6P3/2) et 1u(6S+6P3/2) présentent un point de Condon à distance intermédiare et constituent un cas idéal pour la formation de molécules froides. Le nuage moléculaire froid est analysé : des températures aussi basses que 20 microKelvins ont été mesurées et la distribution des niveaux de rotation et de vibration est étudiée. Les efficacités pour la réaction de photoassociation et pour la formation de molécules froides sont mesurées et comparées aux calculs théoriques.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à la simulation numérique des transitions de phase liquide-vapeur. L'étude effectuée se découpe en deux randes parties: une première où on étudie les phénomènes de transition de phase avec une loi d'état de type Van Der Waals (perte de monotonie de la loi d'état) et une deuxième partie où on choisit une approche alternative avec deux loi d'états. La première partie consiste à étudier les critères visqueux classiques de sélection des solutions du système d'équations utilisé lorsque la loi d'état n'est pas monotone. Les critères classiques ne sélectionnant pas des solutions a priori physiques, un critère plus récent est introduit: le critère visco-capillaire. L'utilisation de ce critère avec un solveur de Riemann exact (sous la contrainte de trouver le zéro d'une fonction non linéaire) permet d'obtenir des résultats mais avec un coût de calcul trop élevé. Une approche alternative est alors envisagée avec deux lois d'états (une pour chaque phase). A l'aide d'un procédé de minimisation de l'action hamiltonienne, un modèle bifluide de changement de phase est proposé. Celui-ci respecte alors le second principe de la thermodynamique. Deux sous-systèmes en sont déduits à l'aide d'un procédé de retour à l'équilibre: mécanique dans un premier temp puis mécanique et thermodynamique dans un deuxième temps. Malgré la faible hyperbolicité du dernier sous-système obtenu, des schémas numériques stables basés sur une méthode de splitting sont proposés. On montre alors que le système ainsi obtenu est naturellement capable de nucléer des bulles de vapeur dans du liquide.

Particles originating from bacteria, fungi (including mold spores, mildew, yeast), pollen, dust mites, and viruses can induce immune responses that trigger allergies and asthma. Carpeting is believed to act as a "sink" where bioparticulates are trapped via adhesive interactions and then are released by foot traffic or cleaning. This scenario can result in an accumulation of contaminants at higher levels than would be found outdoors or in a carpet-less environment. Numerous organizations (school districts, hospitals) have taken steps to remove carpeting, even though this hypothesis remains unproven. While statistical studies exist both in support and denial of the accumulation hypothesis, there is little fundamental understanding of the microscopic-level interactions between carpet and bioparticles. A fundamental understanding of particle affinities with polymers utilized in carpet would help to develop accurate models and address real problems in a rational and productive manner. In addition, a solution to the bioparticulate accumulation problem would have a profound impact on US health, resulting in significant economic savings. More than 20 million people suffer from asthma in the U.S., with children being the most vulnerable. In 2000 there were 9.3 million physician office visits and 1.8 million emergency room visits due to asthma alone, resulting in an estimated $9.4 billion in medical costs and $4.6 billion in lost productivity annually. In this thesis, two measurement techniques were developed to quantify the adhesive interactions between biological particulates and polymeric carpeting materials. Atomic force microscopy (AFM) was used to measure the adhesive interactions of relevant biological particulates (in this case the E. coli bacteria and A. artemisiifolia ragweed pollen grains) with Nylon-6 and Nylon-6,6, polyamide-12 and polystyrene. The adhesion force measurements were modeled using several adhesion theories. We found that the Hamaker models were sufficient for explaining the data, indicating the prominence of van der Waals forces in controlling bioparticle interactions with polyamides. In addition, the geometry of the pollen played a significant role: adhesion forces were approximately a multiple of the number of contact points the grain has with the surface. Forces for E. coli and polyamides were about the same magnitude as polyamide-polyamide surface self-interactions.

Atoms construct the molecules and molecules construct the material substances (with the exceptions as well, e.g.., metals, where atoms directly construct the material substances). Intermolecular interactions play an important role in most of the branches of sciences, ranging from material sciences to biological sciences. Van der Waals interactions are weak intermolecular interactions while hydrogen bonding varies in strength from weak to strong (1 to 40 kcal/mol). The present work focuses on applying some theoretical methods (ab initio and Atoms in Molecules theory) on these interactions to differentiate them with physically meaningful parameters such as hydrogen bond radii and atoms in molecules theory parameters. 1)Defining and calculating H-bond radii have been done using atoms in molecules theory approach which can explain ruling out the presence or absence of an H-bond in an intermolecular interaction. 2) A blue-shift of 200 cm-1 for a weakly bound complex is unprecedented. Our studies on weakly bound complexes showed the blue-shift of 200 cm-1 for H3C•••CIF and shift has been found to be purely from the mixing of normal modes and not because of an interaction. 3)Methane, a symmetric top molecule can act both as H-bond acceptor and donor. The present work shows that methane is rather a better H-bond acceptor than a donor and all the calculated parameters are in favor of this description. 4) Microwave spectrometer is an ultimate tool (at least at present) for structural characterization of the weakly bound complexes accurately. The rotational spectrum of the weakly bound isotopomer weakly bound complexes accurately. The rotational spectrum of the weakly bound isotopomer 13CC5H6•••Ar, which is a symmetric top and gives only “B” rotational constant. Moreover, the A rotational constant of the complex is the same as the rotational constant for 13CC5H6, which has no dipole moment. C2H2 molecule is an astrophysically important molecule as it is present in asymptotic giant branch and T-type stars (Teff<3000K). Due to its various infrared active vibrational modes, C2H2 is one of the most important sources in cool stars. The production of C2H2 infrared spectroscopic data at high temperature is therefore essential to trace back physical characteristics of these objects and to model the radiative transfer in their envelope. The databases such as “HITRAN”, do not have enough data available for stimulating high temperature spectra. Keeping all these objectives in mind, high temperature emission spectrum of acetylene has been recorded around 3µm region of acetylene.