Le dispositif expérimental qui est décrit dans cet article est destiné à l'étude des collisions atomiques et moléculaires aux énergies thermiques et suprathermiques. Utilisant deux générateurs de faisceaux supersoniques de particules et un laser pour l'excitation lumineuse, il permet d'étudier quantitativement les processus collisionnels se produisant entre une particule excitée et une autre particule, lorsque l'énergie relative des deux partenaires varie de quelques centièmes d'électron-volt à quelques électron-volts. Il a été conçu et réalisé de telle sorte qu'il soit possible de préparer les particules dans des états quantiques et dans des conditions d'énergies cinétiques bien définis. Outre la description détaillée du dispositif expérimental, nous indiquons les techniques de mesures qui ont été utilisées. Pour illustrer les possibilités de ce dispositif quelques résultats expérimentaux originaux relatifs aux transferts de structure fine alcalin-gaz rare et alcalin-molécule sont indiqués.
Le dispositif expérimental qui est décrit dans cet article est destiné à l'étude des collisions atomiques et moléculaires aux énergies thermiques et suprathermiques. Utilisant deux générateurs de faisceaux supersoniques de particules et un laser pour l'excitation lumineuse, il permet d'étudier quantitativement les processus collisionnels se produisant entre une particule excitée et une autre particule, lorsque l'énergie relative des deux partenaires varie de quelques centièmes d'électron-volt à quelques électron-volts. Il a été conçu et réalisé de telle sorte qu'il soit possible de préparer les particules dans des états quantiques et dans des conditions d'énergies cinétiques bien définis. Outre la description détaillée du dispositif expérimental, nous indiquons les techniques de mesures qui ont été utilisées. Pour illustrer les possibilités de ce dispositif quelques résultats expérimentaux originaux relatifs aux transferts de structure fine alcalin-gaz rare et alcalin-molécule sont indiqués.
Cette these reporte une etude des proprietes collisionnelles des atomes de Rydberg avec des cibles neutres (atomique ou moleculaire). Ces collisions sont decrites dans le cadre de l'Approximation d'Impact (AI). Des methodes permettant l'evaluation du facteur de forme de la transition atomique, etape cle dans le calcul d'une section efficace, sont proposees et discutees. Celles-ci autorisent de nombreuses confrontations avec les resultats experimentaux. Les sections efficaces de depeuplement total d'etats de Rydberg du rubidium par des perturbateurs moleculaires (N2, CO, NH₃, ND₃) sont mesurees et comparees aux valeurs predites par l'AI. L'influence des moments multipolaires de la molecule ainsi que celui d'autres parametres physiques importants (le defaut d’energie de la reaction, par exemple) sont clairement etablies. Dans le cas des molecules dipolaires, le depeuplement total est principalement du au transfert quasi-resonnant d'energie ou l'energie interne (atomique ou rotationnelle) perdue par l'un des partenaires de la collision est gagnee par l'autre. Enfin, notre approche theorique est etendue aux etats moins excites et comparee a des resultats experimentaux.
Le couplage de la spectroscopie d'electrons, du rayonnement synchrotron et de faisceaux laser nous a permis d’etudier d’une part la photoionisation resonnante d’atomes aloalins ou aloalino-terreux initialement dans leur etat fondamental (Ba) ou excite (Ba*, Na*) d’autre part les processus de transfert collisionnels d'energie aboutissant a l'ionisation d'une vapeur d'atomes (Ba) irradiee par un rayonnement laser resonnant L'etude des differentes voies de relaxation des etats autoionisants peuples a partir de l’etat fondamental du baryum nous a permis de caracteriser differentes resonances d'excitation d’un electron 5p ainsi que de mesurer la force d'oscillateur associee a l'ensemble de ces transitions d'excitation. Nous avons egalement determine les seuils d'ionisation 5p vers lesquels convergent differente series du spectre de photoabsorption. La relaxation d'etats autoionisants peuples par rayonnement synchrotron a partir des etats 6s5d 1,3D du baryum excite a pu egalement etre observee et analysee pour la premiere fois, permettant la mise en evidence et la caracterisation des similarites et des differences dans le comportement d'atomes a l'etat fondamental et a l’etat excite. L'observation des electrons de tres basse energie emis dans les processus collisionnels de transfert d'energie et la mesure precise de leur energie cinetique a permis, dans le baryum excite, de determiner sans ambiguite la succession des mecanismes aboutissants a l'ionisation de la vapeur : collision d'association d'energie, collision d’energie Penning. Enfin, nous avons demontre, dans une experience de faisabilite realisee sur le sodium, la possibilite de peupler des etats tres excites proches de la limite d'ionisation en quantite suffisante pour que leur interaction avec le rayonnement synchrotron soit detectable L'autoionisation des etats ainsi crees par l'excitation d'un electron de couche interne et d'un electron de couche externe a ete observee et analysee. Les energies de ces etats ont ete mesurees ainsi que les forces d’oscillateur relatives des transitions conduisant a leur creation.
Les interférences quantiques apparaissant lors de la superposition cohérente d'états quantiques de la matière sont à l'origine de la compréhension et du contrôle de nombreux processus élémentaires. Dans cette thèse, deux problèmes distincts, qui ont pour origine de tels effets, sont discutés avec leurs applications potentielles : 1. Diffraction électronique induite par Laser (LIED) et imagerie des orbitales moléculaires ; 2. Effets collectifs dans des vapeurs denses et transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle (DIET). La première partie de cette thèse traite du mécanisme de recollision dans des molécules linéaires simples lorsque le système est exposé à un champ laser infrarouge de forte intensité. Cette interaction provoque une ionisation tunnel du système moléculaire, conduisant à la création d'un paquet d'ondes électronique dans le continuum. Ce paquet d'ondes suit une trajectoire oscillante, dirigée par le champ laser. Cela provoque une collision avec l'ion parent qui lui a donné naissance. Ce processus de diffraction peut être de nature inélastique, engendrant la génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG) ou l'ionisation double non-séquentielle, ou de nature élastique, processus que l'on appelle généralement « diffraction électronique induite par laser ». La LIED porte des informations sur la molécule et sur l'état initial à partir duquel les électrons sont arrachés sous forme de motifs de diffraction formés en raison de l'interférence entre différentes voies de diffraction. Dans ce projet, une méthode est développée pour l'imagerie des orbitales moléculaires, reposant sur des spectres de photo-électrons obtenus par LIED. Cette méthode est basée sur le fait que la fonction d'ondes du continuum conserve la mémoire de l'objet à partir duquel elle a été diffractée. Un modèle analytique basé sur l'approximation de champ fort (SFA) est développé pour des molécules simples linéaires et appliqué aux orbitales moléculaires HOMO et HOMO-1 du dioxyde de carbone. L'interprétation et l'extraction des informations orbitalaires imprimées dans les spectres de photo-électrons sont présentées en détail. Par ailleurs, nous estimons que ce type d'approche pourrait être étendu à l'imagerie de la dynamique électro-nucléaire de tels systèmes. La deuxième partie de cette thèse traite des effets collectifs dans des vapeurs atomiques ou moléculaires denses. L'action de la lumière sur ces gaz crée des dipôles induits qui oscillent et produisent des ondes électromagnétiques secondaires. Lorsque les particules constitutives du gaz sont assez proches, ces ondes secondaires peuvent coupler les dipôles induits entre-eux, et lorsque cette corrélation devient prépondérante la réponse du gaz devient une réponse collective. Ceci conduit à des effets spécifiques pour de tels systèmes, comme l'effet Dicke, la superradiance, et les décalages spectraux de Lorentz-Lorenz ou de Lamb. A cette liste d'effets collectifs, nous avons ajouté un effet de transparence induite dans l'échantillon. Cet effet collectif a été appelé « transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle ». La nature collective de l'excitation du gaz dense réduit la vitesse de groupe de la lumière transmise à quelques dizaines de mètre par seconde, créant ainsi une lumière dite « lente ». Ces effets sont démontrés pour les transitions D1 du 85Rb et d'autres applications potentielles sont également discutées.
Cet article presente un certain nombre d’experiences qui illustrent les proprietes remarquables des etats de Rydberg decrites et analysees dans un article precedent. Pour toutes ces experiences, les etats de Rydberg du sodium ou du cesium sont excites par des lasers pulses et detectes par ionisation selective dans un champ electrostatique. Il decrit successivement : des mesures de forces d’oscillateur anormales dans la serie P du cesium ; des mesures de durees de vie et de transferts thermiques entre niveaux de Rydberg ; des experiences de spectroscopie par double resonance laser-microonde dans le sodium et le cesium a haute et tres haute resolution, qui permettent d’obtenir des valeurs experimentales pour les defauts quantiques, les constantes de structures fine et hyperfine, et les polarisabilites de ces etats ; des experiences mettant en evidence une emission maser entre etats de Rydberg. Il discute finalement la possibilite de realiser des detecteurs d’onde millimetrique a l’aide d’etats de Rydberg.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.
Cette these s'interesse a la problematique de l'etude experimentale du transport quantique d'ondes de matiere avec des atomes froids. Ceux-ci etant facilement controlables, ils offrent la possibilite de creer des systemes d'etude ideaux, notamment pour tester des theories de matiere condensee. L'ensemble du systeme experimental utilise pour cela est decrit en detail dans le manuscrit. Il permet de realiser des experiences aussi bien a une dimension qu'a trois dimensions, a partir de l'expansion coherente d'ondes de matieres issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous interessons en particulier au probleme du transport quantique dans les milieux desordonnes, qui conduit au phenomene de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les resultats recemment obtenus a une dimension, qui ont permis d'observer directement le phenomene avec des ondes de matiere. Nous presentons ensuite les premieres etapes d'une experience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparait dans les systemes tridimensionnels. Enfin, nous presentons une etude detaillee d'un laser a atomes guides, qui pourrait se reveler etre un outil particulierement adapte a l'etude des phenomenes de transport quantique d'ondes de matiere. Il permet en effet de controler de facon independante l'energie des ondes de matiere extraites, ainsi que le flux atomique a l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liees a sa generation par une transition radiofrequence, aussi bien qu'a sa propagation dans un guide d'onde, sont donnees.