Nous avons étudié la luminescence des gaz rares solides excités par bombardement électronique. La partie haute énergie du spectre comprend des raies très fines à une énergie comparable à celle de l'exciton libre observé en réflectivité ou en absorption et une ou plusieurs bandes larges environ 1,5 eV en dessous des raies fines. Les raies fines sont dues à la recombinaison d'excitons libres ou faiblement piégés. Les bandes larges sont émises par des excitons moléculaires, formés d'atomes excités autopiégés sur un atome voisin dans son état fondamental. La différence de 1 à 2 eV entre la raie de résonance atomique et la bande de luminescence du solide est due en partie à l'énergie de liaison de l'exciton moléculaire et en partie à l'énergie potentielle de répulsion dans l'état final entre les deux atomes à une distance nettement inférieure à la distance interatomique à l'équilibre.
Nous avons étudié la luminescence des gaz rares solides excités par bombardement électronique. La partie haute énergie du spectre comprend des raies très fines à une énergie comparable à celle de l'exciton libre observé en réflectivité ou en absorption et une ou plusieurs bandes larges environ 1,5 eV en dessous des raies fines. Les raies fines sont dues à la recombinaison d'excitons libres ou faiblement piégés. Les bandes larges sont émises par des excitons moléculaires, formés d'atomes excités autopiégés sur un atome voisin dans son état fondamental. La différence de 1 à 2 eV entre la raie de résonance atomique et la bande de luminescence du solide est due en partie à l'énergie de liaison de l'exciton moléculaire et en partie à l'énergie potentielle de répulsion dans l'état final entre les deux atomes à une distance nettement inférieure à la distance interatomique à l'équilibre.
En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomes-atomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomesatomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. Divers progrès de la technologie ont permis d'étendre ces méthodes vers des états moléculaires excités, l'anisotropie de l'excitation étant produite soit par voie optique (coïncidence avec une raie atomique, radiation laser, bande moléculaire), soit par excitation électronique, des travaux expérimentaux et théoriques ayant montré cette possibilité [2], [3]. Des expériences ont été réalisées sur H2 [4], NO [5], OH [6], Na2 [7], CS [8], I2 [9]. Quelques exemples sont détaillés afin de montrer les possibilités de la méthode : – L'effet Hanle (dépolarisation magnétique) fournit la valeur du produit gτ (g facteur de Landé, τ durée de vie) dans la mesure où des effets de découplage n'interviennent pas. La discussion est présentée dans le cas des niveaux A2Σ + (ν = 1,K' = 1) J' = 25/2 et J' = 27/2 de NO [5] et de niveaux de I2 [9] excités par voie optique. – Par excitation électronique des travaux ont été faits sur les états électroniques excités 2 p 2 p 1K, 1 s 3 d Σ +g, 1 s 3 p Πu de H2 [4]. L'étude critique de la position et de la forme de raie de la résonance magnétique, ainsi que celle des effets de cascade éventuels, a permis d'évaluer l'écart de structure fine J = 2 ↔ J = 1 trouvé égal à 174 ±10 MHz de l'état 1 s 2 p Πu, K' = 1, ν' = 0 [10]. L'élargissement des courbes de dépolarisation magnétique en fonction de la pression permet d'obtenir des renseignements sur les processus de collision état fondamental-état excité et d'en déterminer les sections efficaces et la durée de vie radiative du niveau. – L'étude de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière émise en présence d'un champ magnétique et d'un champ électrique a été faite dans le cas du niveau A 1Π ν' = 0, pour différentes valeurs de J dans CS [8]. L'étude critique des résultats des différentes expériences (transitions dipolaires électriques de radiofréquence en présence ou non de champ électrique statique, dépolarisation magnétique, dépolarisation en présence de champ électrique, croisements de niveaux en présence de champs électrique et magnétique) a conduit aux valeurs du A doubling, du moment dipolaire électrique et à la durée de vie des états étudiés. L'utilisation, en particulier, de laser à longueur d'onde variable devra permettre l'extension des méthodes d'excitation optique [11], et l'emploi de dispositifs interférentiels pour isoler les transitions étudiées permettra de généraliser à d'autres molécules [12] l'emploi de la méthode d'excitation électronique.
Ce travail concerne l'emprisonnement des raies de resonance du krypton a 123 nm et du xenon a 147 nm en presence d'un gaz rare plus leger et l'etude des processus de disparition de ces etats par collisions inelastiques. L'etude a porte sur les melanges kr-ar, kr-ne, xe-kr et xe-ar. Une excitation selective, breve et pulsee, de l'etat resonnant xe (#3p#1) ou kr (#3p#1) est realisee par absorption multiphotonique a trois photons au moyen d'un laser pulse accordable en longueur d'onde. La luminescence du gaz est detectee par comptage de photons puis analysee spectralement et temporellement. L'evolution temporelle de la luminescence, filtree dans le domaine vuv, obeit a une loi de decroissance decrite par une somme de deux termes exponentiels attribues a la disparition des etats (#3p#1) et (#3p#2). Les constantes de temps sont determinees, pour des melanges binaires ou seul le gaz rare lourd est excite, par la methode du maximum de vraisemblance appliquee a une distribution de poisson. Pour chaque melange, l'evolution des constantes de temps en fonction des pressions partielles a permis de determiner les coefficients d'elargissement des raies de resonance et les constantes de disparition par collisions inelastiques. Il n'y pas de transfert d'energie entre les deux gaz. La prise en compte de la variation de la duree de vie apparente en fonction de la concentration en gaz non excite est indispensable pour determiner correctement les constantes de collisions. L'analyse des causes d'erreurs experimentales, tant systematiques que statistiques, a permis d'apprecier la precision de l'ensemble des grandeurs physiques determinees. Un programme de modelisation du phenomene d'emprisonnement par une methode de monte carlo a ete developpe. Dans un premier temps nous nous sommes places dans le cadre d'une geometrie cylindrique infinie. Le calcul a ensuite ete adapte a nos conditions d'experiences et applique au cas des melanges binaires. L'experience et les calculs sont en bon accord.
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Cette these concerne l'etude des effets a n corps dans un gaz d'atomes de rydberg froids de cesium obtenu en utilisant un piege magneto-optique. Le processus d'echange resonnant d'energie interne regi par l'interaction dipole-dipole a ete etudie experimentalement dans des conditions ou le gaz atomique peut etre considere comme fige : un gaz de rydberg gele. Les profils des resonances observees presentent des largeurs beaucoup plus grandes que celles qui correspondraient aux interactions dipole-dipole moyennes entre les atomes de rydberg proches voisins, comme celles prevues par un modele de gaz dilue ou les collisions binaires predominent. Le systeme mesoscopique d'atomes de rydberg froids s'apparente davantage a un solide amorphe ou les effets a n corps deviennent importants. Un modele phenomenologique de type reaction-diffusion a ete developpe en prenant en compte deux processus essentiels. Le premier concerne le transfert d'energie entre deux atomes tres proches conduisant a la creation d'excitations elementaires : etats de rydberg atomiques differents des etats initiaux. Le deuxieme processus correspond a une interaction a n corps conduisant a la migration diffusive de ces excitations a travers le bain des autres atomes de rydberg. Ce modele explique les particularites d'echange d'energie dans un gaz de rydberg gele : les fluctuations rares des paires d'atomes tres proches sont a l'origine des largeurs des resonances observees tandis que la diffusion des etats quantiques explique la dependance des profils des resonances avec la densite.
Ce mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est consacrée à l'étude de la superfluidité dans un gaz de fermions ultra-froids. En utilisant un gaz dégénéré de lithium 6 au voisinage d'une résonance de Feshbach nous avons obtenu un superfluide fermionique et étudié son évolution en fonction de l'énergie de liaison des paires. Afin de caractériser la transition BEC-BCS entre un condensat de Bose-Einstein de molécules et un état BCS de paires de Cooper faiblement liées, nous avons étudié l'expansion du nuage en absence ou en présence d'interactions. Nous avons ainsi extrait la distribution en impulsion du système et sondé son caractère hydrodynamique. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'un montage expérimental de seconde génération. Par rapport à l'ancien dispositif, ses principaux atouts sont un gain d'un ordre de grandeur sur le nombre d'atomes piégés, un bon accès optique, une grande stabilité et reproductibilité ainsi qu'un taux de répétition cinq fois supérieur. La nouvelle expérience a déjà permis d'atteindre le seuil de dégénérescence quantique du lithium 7 avec des performances très satisfaisantes et donne accès à la simulation de hamiltoniens de matière condensée avec des fermions ultra-froids.
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique