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Habilitation à diriger des recherches

Ferruccio Renzoni

Published Apr 3, 2003• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Ce mémoire d'habilitation présente mes travaux de recherche, du début de ma thèse jusqu'à présent. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première présente mes travaux de thèse et une partie des résultats obtenus pendant mon séjour post-doctoral à l'Université de Hambourg. En particulier, cette partie contient les résultats de ma recherche sur le rôle des cohérences à basse fréquence en spectroscopie laser. Les sujets abordés ont été le piégeage cohérent de population, les résonances brillantes, la préparation et la manipulation d'états quantiques en utilisant des états noirs dépendant du temps, et l'étude des effets de cohérence à basse fréquence dans la spectroscopie de transport des boîtes quantiques couplées par effet tunnel. La deuxième partie de ce mémoire présente mon travail de recherche sur les réseaux d'atomes froids. Le sujet principal de cette recherche a été la dynamique des atomes dans les réseaux optiques. Le mouvement diffusif des atomes, la relaxation de leur énergie cinétique, et leurs modes de propagation ont été étudiés. Les progrès faits dans la compréhension de la dynamique atomique dans les réseaux optiques ont été ensuite exploités pour expliquer l'origine de la résonance Rayleigh dans le spectre d'absorption des atomes piégés dans le réseau. De plus, nous avons utilisé les réseaux optiques comme système modèle pour des phènomènes de physique non-linéaire. Nous avons ainsi étudié la résonance stochastique dans un réseau périodique, et la diffusion dirigée dans un potentiel symétrique.

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Dynamique hors équilibre d'un condensat de Bose-Einstein dans un réseau dépendant du temps

A. Fortun

Ce manuscrit présente le travail réalisé dans le cadre de ma thèse dans l'équipe Atomes Froids du laboratoire CAR de l'université Toulouse III Paul Sabatier. L'un des projets de recherche de cette équipe est l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique modulé en temps et notamment l'étude de l'impact du chaos à la limite classique sur le comportement quantique d'une particule. L'objectif de mon travail est de développer les outils nécessaires à cette étude. La première étape a été de construire l'ensemble du dispositif expérimental de l'équipe, qui est opérationnel depuis mai 2015. Nous présenterons donc ce dispositif ainsi que les techniques de refroidissement que nous avons mises en place. La suite du manuscrit est consacrée à l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique créé par l'interférence constructive de deux faisceaux laser contra-propageants. Le potentiel ainsi créé peut être contrôlé dynamiquement via la puissance et la phase relative des deux faisceaux. Mon travail s'est surtout concentré sur le contrôle de la phase relative. Nous avons notamment développé une nouvelle méthode de calibration qui repose sur l'analyse de la micro-oscillation d'une chaine de condensats après un décalage spatial quasi- instantané du réseau. Cette méthode présente l'avantage d'être très robuste vis-à-vis des interactions, du potentiel de confinement extérieur ainsi que des anharmonicités du potentiel périodique. L'étude du micro-mouvement des atomes a aussi permis de mettre en évidence la présence d'un effet tunnel qui se manifeste au cours de la micro-oscillation. La signature de cet effet tunnel dans l'espace des impulsions après temps de vol nous donne la possibilité de faire une mesure directe du temps de traversée tunnel et d'en étudier les propriétés. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l'étude préliminaire du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau renormalisé par modulation de phase. Suivant le régime de modulation, nous pouvons renormaliser la profondeur ou le taux tunnel entre chaque puits du réseau. Dans ce dernier cas, nous voyons émerger un nouvel état d'équilibre appelé staggered state. La dynamique de formation de cet état est complexe car le chauffage dû à la modulation doit être pris en compte. Nous présenterons donc les résultats préliminaires de cette étude.

•Jul 19, 2016•0 citations

Sonder des structures complexes avec des ondes de matière

François Damon

Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.

•Sep 29, 2015•0 citations

Probing complexe structures with matter waves

François Damon

Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.

•Sep 29, 2015•0 citations

Atomes froids dans des réseaux optiques - Quelques facettes surprenantes d'un système modèle

C. Mennerat-Robilliard

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'atomes piégés et refroidis dans plusieurs types de structures lumineuses. Nous avons utilisé pour caractériser ces milieux des techniques de temps de vol, d'imagerie directe du nuage atomique et de spectroscopie pompe-sonde, afin d'obtenir des informations sur la température et la diffusion spatiale des atomes ainsi que sur leur mouvement dans les puits de potentiel. Nous avons d'abord étudié la dynamique d'atomes de césium dans des réseaux optiques tri-dimensionnels brillants en présence d'un champ magnétique, et nous avons en particulier montré que les réseaux optiques fonctionnant en régime sautant donnent lieu à un refroidissement et un piégeage efficaces, et qu'un mécanisme de rétrécissement par le mouvement y conduit à des raies vibrationnelles étroites sur les spectres de transmission pompe-sonde. Avec des atomes de césium, nous avons également créé et caractérisé un réseau optique tri-dimensionnel brillant obtenu avec seulement deux faisceaux laser grâce à l'effet Talbot, puis un milieu aléatoire engendré à partir d'un champ de tavelures. Enfin, nous avons étudié un ``moteur brownien'' pour des atomes de $^(87)$Rb dans un réseau gris asymétrique. Les résultats de l'étude expérimentale sont en bon accord qualitatif avec des simulations numériques Monte-Carlo semi-classiques.

•Jan 22, 1999•1 citation

Des atomes chargés et des photons : quelques phénomènes observables en piège radiofréquence

C. Champenois

Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre $10^7$ ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.

•Jun 22, 2010•0 citations

Dynamique et contrôle optique des molécules froides

Romain Véxiau

Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites « magiques » où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs.

•Dec 10, 2012•2 citations
Ce mémoire d'habilitation présente mes travaux de recherche, du début de ma thèse jusqu'à présent. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première présente mes travaux de thèse et une partie des résultats obtenus pendant mon séjour post-doctoral à l'Université de Hambourg. En particulier, cette partie contient les résultats de ma recherche sur le rôle des cohérences à basse fréquence en spectroscopie laser. Les sujets abordés ont été le piégeage cohérent de population, les résonances brillantes, la préparation et la manipulation d'états quantiques en utilisant des états noirs dépendant du temps, et l'étude des effets de cohérence à basse fréquence dans la spectroscopie de transport des boîtes quantiques couplées par effet tunnel. La deuxième partie de ce mémoire présente mon travail de recherche sur les réseaux d'atomes froids. Le sujet principal de cette recherche a été la dynamique des atomes dans les réseaux optiques. Le mouvement diffusif des atomes, la relaxation de leur énergie cinétique, et leurs modes de propagation ont été étudiés. Les progrès faits dans la compréhension de la dynamique atomique dans les réseaux optiques ont été ensuite exploités pour expliquer l'origine de la résonance Rayleigh dans le spectre d'absorption des atomes piégés dans le réseau. De plus, nous avons utilisé les réseaux optiques comme système modèle pour des phènomènes de physique non-linéaire. Nous avons ainsi étudié la résonance stochastique dans un réseau périodique, et la diffusion dirigée dans un potentiel symétrique.
Ce manuscrit présente le travail réalisé dans le cadre de ma thèse dans l'équipe Atomes Froids du laboratoire CAR de l'université Toulouse III Paul Sabatier. L'un des projets de recherche de cette équipe est l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique modulé en temps et notamment l'étude de l'impact du chaos à la limite classique sur le comportement quantique d'une particule. L'objectif de mon travail est de développer les outils nécessaires à cette étude. La première étape a été de construire l'ensemble du dispositif expérimental de l'équipe, qui est opérationnel depuis mai 2015. Nous présenterons donc ce dispositif ainsi que les techniques de refroidissement que nous avons mises en place. La suite du manuscrit est consacrée à l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique créé par l'interférence constructive de deux faisceaux laser contra-propageants. Le potentiel ainsi créé peut être contrôlé dynamiquement via la puissance et la phase relative des deux faisceaux. Mon travail s'est surtout concentré sur le contrôle de la phase relative. Nous avons notamment développé une nouvelle méthode de calibration qui repose sur l'analyse de la micro-oscillation d'une chaine de condensats après un décalage spatial quasi- instantané du réseau. Cette méthode présente l'avantage d'être très robuste vis-à-vis des interactions, du potentiel de confinement extérieur ainsi que des anharmonicités du potentiel périodique. L'étude du micro-mouvement des atomes a aussi permis de mettre en évidence la présence d'un effet tunnel qui se manifeste au cours de la micro-oscillation. La signature de cet effet tunnel dans l'espace des impulsions après temps de vol nous donne la possibilité de faire une mesure directe du temps de traversée tunnel et d'en étudier les propriétés. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l'étude préliminaire du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau renormalisé par modulation de phase. Suivant le régime de modulation, nous pouvons renormaliser la profondeur ou le taux tunnel entre chaque puits du réseau. Dans ce dernier cas, nous voyons émerger un nouvel état d'équilibre appelé staggered state. La dynamique de formation de cet état est complexe car le chauffage dû à la modulation doit être pris en compte. Nous présenterons donc les résultats préliminaires de cette étude.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'atomes piégés et refroidis dans plusieurs types de structures lumineuses. Nous avons utilisé pour caractériser ces milieux des techniques de temps de vol, d'imagerie directe du nuage atomique et de spectroscopie pompe-sonde, afin d'obtenir des informations sur la température et la diffusion spatiale des atomes ainsi que sur leur mouvement dans les puits de potentiel. Nous avons d'abord étudié la dynamique d'atomes de césium dans des réseaux optiques tri-dimensionnels brillants en présence d'un champ magnétique, et nous avons en particulier montré que les réseaux optiques fonctionnant en régime sautant donnent lieu à un refroidissement et un piégeage efficaces, et qu'un mécanisme de rétrécissement par le mouvement y conduit à des raies vibrationnelles étroites sur les spectres de transmission pompe-sonde. Avec des atomes de césium, nous avons également créé et caractérisé un réseau optique tri-dimensionnel brillant obtenu avec seulement deux faisceaux laser grâce à l'effet Talbot, puis un milieu aléatoire engendré à partir d'un champ de tavelures. Enfin, nous avons étudié un ``moteur brownien'' pour des atomes de (87)^(87)(87)Rb dans un réseau gris asymétrique. Les résultats de l'étude expérimentale sont en bon accord qualitatif avec des simulations numériques Monte-Carlo semi-classiques.
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 10710^7107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites « magiques » où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs.