Ce travail constitue l'etude quantitative des figures d'interference produites par l'electron issu du photodetachement d'un ion negatif en champ electrique uniforme. L'electron detache peut emprunter deux chemins differents pour atteindre un point donne de l'espace. Ceci entraine l'existence d'une figure d'interference dans un plan perpendiculaire au champ electrique. Une etude quantique plus precise permet de montrer que cette figure d'interference est la representation du carre du module de la fonction d'onde radiale de l'electron ejecte. L'experience correspondante est dite de microscopie de photodetachement. La phase maximale atteinte dans l'interferogramme est liee a l'energie cinetique initiale de l'electron. Une mesure de cette phase nous permet donc d'avoir une mesure precise de cette energie cinetique. Pour creer ces figures d'interference, nous faisons se croiser un jet monocinetique d'ions negatifs et un faisceau laser au sein d'un champ electrique uniforme. Nous utilisons les ions o et f car leur affinite electronique est bien connue et la mesurer constitue ainsi un bon test de validite de la methode. Pour determiner l'energie cinetique initiale, nous ajustons les images electroniques obtenues avec la formule theorique quantique en tenant compte des imperfections experimentales. Cette technique permet effectivement de mesurer les affinites electroniques de l'oxygene et du fluor avec une precision equivalente a celle obtenues selon d'autres methodes. De plus, la microscopie de photodetachement est suffisamment sensible pour permettre la mesure de l'affinite electronique de l'isotope 18 de l'oxygene a partir d'un echantillon naturel. Ceci a permis la premiere mesure experimentale du deplacement isotopique de l'affinite electronique entre l'oxygene 16 et 18.
Ce travail constitue l'etude quantitative des figures d'interference produites par l'electron issu du photodetachement d'un ion negatif en champ electrique uniforme. L'electron detache peut emprunter deux chemins differents pour atteindre un point donne de l'espace. Ceci entraine l'existence d'une figure d'interference dans un plan perpendiculaire au champ electrique. Une etude quantique plus precise permet de montrer que cette figure d'interference est la representation du carre du module de la fonction d'onde radiale de l'electron ejecte. L'experience correspondante est dite de microscopie de photodetachement. La phase maximale atteinte dans l'interferogramme est liee a l'energie cinetique initiale de l'electron. Une mesure de cette phase nous permet donc d'avoir une mesure precise de cette energie cinetique. Pour creer ces figures d'interference, nous faisons se croiser un jet monocinetique d'ions negatifs et un faisceau laser au sein d'un champ electrique uniforme. Nous utilisons les ions o et f car leur affinite electronique est bien connue et la mesurer constitue ainsi un bon test de validite de la methode. Pour determiner l'energie cinetique initiale, nous ajustons les images electroniques obtenues avec la formule theorique quantique en tenant compte des imperfections experimentales. Cette technique permet effectivement de mesurer les affinites electroniques de l'oxygene et du fluor avec une precision equivalente a celle obtenues selon d'autres methodes. De plus, la microscopie de photodetachement est suffisamment sensible pour permettre la mesure de l'affinite electronique de l'isotope 18 de l'oxygene a partir d'un echantillon naturel. Ceci a permis la premiere mesure experimentale du deplacement isotopique de l'affinite electronique entre l'oxygene 16 et 18.
Ce travail etudie deux aspects du photodetachement des ions negatifs d'halogenes. L'etude experimentale du detachement multiphotonique d'ions negatifs d'halogenes dans le cas general de la polarisation elliptique a ete completee par la mesure des distributions angulaires de l'iode negatif detache par trois photons, et du chlore et fluor negatifs detaches par 4 photons (1064 nm chaque fois). La conservation de la symetrie par rapport au sens de parcours de l'ellipse dans ces distributions, contrairement a ce qu'on attendait, constitue le resultat experimental le plus marquant. Pour analyser ces mesures, une extension du theoreme de yang a ete etablie. Elle donne la forme mathematique des distributions angulaires de photoelectrons detaches par n photons issus d'un systeme atomique ayant un moment cinetique total nul et dont le cur est laisse dans un etat impair, dans le cas general de la polarisation elliptique. Une etude numerique du signal de detachement du fluor negatif detache par 3, 4 et 5 photons a ete realisee. Elle prend en compte le phenomene de competition de voies de photodetachement et l'effet ponderomoteur. Le second aspect de ce travail concerne la construction d'une experience dite de microscopie de photodetachement. Son principe, jusqu'alors jamais mis en pratique, est le suivant: un electron detache dans un champ electrique peut atteindre le detecteur par deux chemins possibles, on peut donc observer des interferences electroniques. On peut interpreter ces interferences comme une coupe radiale de fonction d'onde de photodetachement. L'etude de la faisabilite, la description de l'experience, ainsi que les premieres images obtenues avec le brome negatif sont presentees. On verifie que les resultats experimentaux sont en accord avec la theorie semi-classique
Les expériences de physique quantique ont atteint un niveau de contrôle permettant de préparer avec précision l'état quantique de nombreux systèmes physiques. Cela a mené à la naissance de l'optique quantique électronique, un sujet émergent qui vise à préparer, manipuler et caractériser l'état de courants électriques contenant quelques excitations électroniques se propageant dans un conducteur quantique ballistique. Ceci est un défi conséquent qui se heurte à la difficulté de caractériser un état quantique à N corps.Le sujet de cette thèse sera le développement de méthodes de traitement du signal quantique permettant d'accéder à une connaissance partielle d'un tel état pour des courants électriques quantiques. Une première méthode consiste à les analyser à nombre d'excitations fixé au travers des cohérences électroniques. Pour cela, nous élaborons une analyse de la cohérence à un électron en termes d'atomes de signaux électroniques. En combinant cela au protocole de tomographie par interférometrie HOM, nous présentons la première autopsie, fonction d'onde par fonction d'onde, d'un courant électrique quantique.Une autre approche consiste à examiner des indicateurs sondant directement l'état à N corps. Nous étudions le rayonnement émis par un conducteur quantique ainsi que la décohérence électronique d'une excitation à un électron. Ensuite nous analysons la distribution de probabilité de la chaleur dissipée par un système quantique mésoscopique. Dans ce cadre, nous développons une théorie de l'effet Joule en régime quantique et à explorons comment celle-ci pourrait permettre de sonder l'état à N corps
Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée.
Autopsie d'un courant électrique quantique Les expériences de physique quantique ont atteint un niveau de contrôle permettant de préparer avec précision l'état quantique de nombreux systèmes physiques. Cela a mené à la naissance de l'optique quantique électronique, un sujet émergent qui vise à préparer, manipuler et caractériser l'état de courants électriques contenant quelques excitations électroniques se propageant dans un conducteur quantique ballistique. Ceci est un défi conséquent qui se heurte à la difficulté de caractériser un état quantique à N corps.Le sujet de cette thèse sera le développement de méthodes de traitement du signal quantique permettant d'accéder à une connaissance partielle d'un tel état pour des courants électriques quantiques. Une première méthode consiste à les analyser à nombre d'excitations fixé au travers des cohérences électroniques. Pour cela, nous élaborons une analyse de la cohérence à un électron en termes d'atomes de signaux électroniques. En combinant cela au protocole de tomographie par interférometrie HOM, nous présentons la première autopsie, fonction d'onde par fonction d'onde, d'un courant électrique quantique.Une autre approche consiste à examiner des indicateurs sondant directement l'état à N corps. Nous étudions le rayonnement émis par un conducteur quantique ainsi que la décohérence électronique d'une excitation à un électron. Ensuite nous analysons la distribution de probabilité de la chaleur dissipée par un système quantique mésoscopique. Dans ce cadre, nous développons une théorie de l'effet Joule en régime quantique et à explorons comment celle-ci pourrait permettre de sonder l'état à N corps
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.
Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats.