Interprétation corpusculaire d'une expérience de diffraction, imaginée par Abbe, dans laquelle un réseau est illuminé simultanément par deux faisceaux d'égale intensité et où l'on amène à la coïncidence deux des maxima transmis. L' « indice de l'espace pour les ondes associées » joue dans ce cas pratique un rôle essentiel. La théorie développée garde une connexion étroite avec les interférences entre ondes planes d'une même amplitude. L'étude corpusculaire de ce type de phénomènes conduit à des résultats assez satisfaisants. Nous l'abordons ici par les méthodes propres à la Cinématique relativiste, et étendons cette étude au cas des pulsations lumineuses dues à l'interférence entre ondes de fréquences différentes se propageant en des sens contraires.
Interprétation corpusculaire d'une expérience de diffraction, imaginée par Abbe, dans laquelle un réseau est illuminé simultanément par deux faisceaux d'égale intensité et où l'on amène à la coïncidence deux des maxima transmis. L' « indice de l'espace pour les ondes associées » joue dans ce cas pratique un rôle essentiel. La théorie développée garde une connexion étroite avec les interférences entre ondes planes d'une même amplitude. L'étude corpusculaire de ce type de phénomènes conduit à des résultats assez satisfaisants. Nous l'abordons ici par les méthodes propres à la Cinématique relativiste, et étendons cette étude au cas des pulsations lumineuses dues à l'interférence entre ondes de fréquences différentes se propageant en des sens contraires.
Un phénomène interférentiel se présente d'une façon différente pour des observateurs en mouvement relatif, car, en changeant de référentiel, il s'introduit des modifications de l'état ondulatoire et de l'aspect cinématique des franges. Dans le cas de franges rectilignes mobiles (pulsations), il est aisé de trouver de nombreux référentiels dans lesquels les franges sont au repos. Parmi ces référentiels, il y en a un qui jouit du privilège de présenter le phénomène sous les caractéristiques propres à un état « stationnaire ». Il en découle la possibilité d'admettre, pour le phénomène des interférences, une interprétation de type corpusculaire, tout au moins dans le cas étudié où les ondes qui se superposent ont une amplitude égale. L'application des principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement confirme les résultats obtenus par la méthode ondulatoire, mais l'on arrive à la conclusion que deux corpuscules se forment, c'est-à-dire une paire, lors du choc de deux photons dans le champ d'interférences.
La théorie quantique nécessite de renoncer à certaines images classiques héritées du sens commun. Elle stipule en particulier une description duale de la lumière et de la matière, présentant simultanément les propriétés d'une onde et d'une particule et conduisant ainsi à des représentations classiques de la réalité physique incompatibles. Le travail décrit dans cet ouvrage s'inscrit dans l'étude de la dualité onde-corpuscule pour un photon unique à l'aide d'une source de photons uniques fondée sur l'excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon très proche dans sa conception de celle des trous d'Young. Cette expérience nous permettra de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour aller un peu plus au cœur des problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons par la suite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée dite de “choix retardé” proposée par Wheeler au début des années soixante-dix. Dans cette expérience, la décision de fermer ou non l'interféromètre, et donc d'observer soit les interférences (associé à une propriété ondulatoire) soit le chemin suivi par le photon dans l'interféromètre (associé à une propriété de type corpusculaire), n'est prise qu'une fois que le photon a franchi l'élément séparateur à l'entrée de l'interféromètre. Les résultats de cette expérience nous permettront de conclure qu'aucune réalité physique classique ne saurait être attribuée au photon indépendamment de l'appareil de mesure, comme le stipule le principe de complémentarité.
Une onde évanescente lumineuse permet de réaliser un miroir à atomes, à condition que ceux-ci soient incidents avec une énergie cinétique suffisamment faible. Dans le régime de faible saturation, les atomes sont réfléchis de façon cohérente par un potentiel répulsif, le potentiel dipolaire. Nous caractérisons la réflexion d'un point de vue quantique, moyennant une solution analytique de l'équation de (\sc Schrödinger). La théorie de la diffraction d'atomes par une onde évanescente stationnaire est développée. Nous introduisons l'approximation du réseau de phase mince, valable dans le régime semi-classique, qui montre qu'en incidence normale la diffraction est efficace pour une faible modulation spatiale de l'intensité lumineuse. Pour interpréter la diffraction d'atomes en incidence rasante, il faut prendre en compte des transitions (\sc Raman) stimulées entre les sous-niveaux magnétiques. La réflexion atomique devient diffuse lorsque la rugosité de la surface du diélectrique, au-dessus de laquelle se propage l'onde évanescente, dépasse la longueur d'onde atomique incidente. La distribution angulaire des atomes diffusés donne accès à la densité spectrale de rugosité pour des échelles spatiales autour de la longueur d'onde lumineuse.
On considère pour simplifier une expérience à un seul photon avec un interféromètre d'Young: une nette anticorrélation est observée entre les deux photomultiplicateurs, en face de chaque fente, alors qu'une interférence est observée sur un écran, derrière les deux fentes. On propose une nouvelle forme du principe de complémentarité, dans laquelle on suppose que la lumière présente alternativement des propriétés ondulatoires et corpusculaires, mais que la succession des deux états possédant ces propriétés est si rapide que nos mesure, qui ne nous fournissent que des valeurs moyennes, sont seulement capables d'enregistrer un état ou l'autre, suivant le dispositif qui est utilisé. L'état "onde" correspondrait à un faisceau large mais peu dense, qui aurait une forte probabilité de passer par les deux fentes et de produire une interférence. Alors que l'état "corpuscule" correspondrait à un pinceau très étroit qui, lorsque par chance il passe par l'une des deux fentes, aurait une densité suffisante pour déclencher le photomultiplicateur situé en face. Or un tel rayonnement à géométrie variable est précisément celui qui est produit par un électron qui est accéléré jusqu'à une vitesse relativiste, avant d'être brutalement freiné.
L'application de l'intégrale de Fourier permet de prévoir théoriquement l'existence d'interférences entre deux faisceaux provenant de deux sources lumineuses différentes; le calcul montre que les faisceaux doivent traverser un monochromateur dont le pouvoir séparateur exprimé en fréquence est l'inverse de la durée du phénomène lumineux; cette condition rappelle le principe d'incertitude de Heisenberg. L'action d'un tel monochromateur revient à allonger les trains d'onde des deux faisceaux. On arrive à obtenir que chacun des faisceaux soit représenté pendant un certain intervalle de temps par une vibration sinusoïdale bien déterminée, ce qui permet de prévoir des phénomènes d'interférences. Au point de vue pratique, il semble probable que l'expérimentateur sera gêné par le manque de brillance des sources lumineuses.
Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes. Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.