Cours donne au M2 Concept Fondamentaux de la Physique, Parcours Physique Quantique de l'Universite Pierre et Marie Curie-Paris6 Plan du cours: 1) Les approches phenomenologiques de l'interaction matiere rayonnement: modele de Lorentz, modele d'Einstein. 2) L'approche semi-classique: vecteur de Bloch, equations de Bloch pour un champ monochromatique et pour un champ a spectre large. 3) Description quantique du champ electromagnetique libre: quantification sur differentes base de modes, impulsion et moment cinetique du rayonnement, quelques etats quantiques remarquables, fonction de Wigner, Hamiltonien d'interaction 4) Emission spontanee: etat du systeme atome+champ, relaxation d'un atome par emission spontanee. 5) Atome a deux niveaux et champ quasi-resonnant: precession de Rabi, franges de Ramsey, saturation de l'absorption, modele de Jaynes Cummings, regimes de couplage faible et fort. 6) Assemblee d'atomes a deux niveaux et champ quasi-resonnant : vecteur de Bloch collectif, superradiance, memoires quantiques. 7) Systemes a trois niveau: pompage optique, piegeage coherent de population, deplacements lumineux, transparence electromagnetiquement induite, sauts quantiques. 8) Fluctuations et correlations dans l'interaction matiere rayonnement: bruit de projection, equation de Langevin quantique, correlations d'intensite dans l'emission spontanee. Annexes: - elements sur la structure des atomes, - matrice densite.
Cours donne au M2 Concept Fondamentaux de la Physique, Parcours Physique Quantique de l'Universite Pierre et Marie Curie-Paris6 Plan du cours: 1) Les approches phenomenologiques de l'interaction matiere rayonnement: modele de Lorentz, modele d'Einstein. 2) L'approche semi-classique: vecteur de Bloch, equations de Bloch pour un champ monochromatique et pour un champ a spectre large. 3) Description quantique du champ electromagnetique libre: quantification sur differentes base de modes, impulsion et moment cinetique du rayonnement, quelques etats quantiques remarquables, fonction de Wigner, Hamiltonien d'interaction 4) Emission spontanee: etat du systeme atome+champ, relaxation d'un atome par emission spontanee. 5) Atome a deux niveaux et champ quasi-resonnant: precession de Rabi, franges de Ramsey, saturation de l'absorption, modele de Jaynes Cummings, regimes de couplage faible et fort. 6) Assemblee d'atomes a deux niveaux et champ quasi-resonnant : vecteur de Bloch collectif, superradiance, memoires quantiques. 7) Systemes a trois niveau: pompage optique, piegeage coherent de population, deplacements lumineux, transparence electromagnetiquement induite, sauts quantiques. 8) Fluctuations et correlations dans l'interaction matiere rayonnement: bruit de projection, equation de Langevin quantique, correlations d'intensite dans l'emission spontanee. Annexes: - elements sur la structure des atomes, - matrice densite.
Cours donne au M2 Concept Fondamentaux de la Physique, Parcours Physique Quantique de l'Universite Pierre et Marie Curie-Paris6 Plan du cours: 1) Les approches phenomenologiques de l'interaction matiere rayonnement: modele de Lorentz, modele d'Einstein. 2) L'approche semi-classique: vecteur de Bloch, equations de Bloch pour un champ monochromatique et pour un champ a spectre large. 3) Description quantique du champ electromagnetique libre: quantification sur differentes base de modes, impulsion et moment cinetique du rayonnement, quelques etats quantiques remarquables, fonction de Wigner, Hamiltonien d'interaction 4) Emission spontanee: etat du systeme atome+champ, relaxation d'un atome par emission spontanee. 5) Atome a deux niveaux et champ quasi-resonnant: precession de Rabi, franges de Ramsey, saturation de l'absorption, modele de Jaynes Cummings, regimes de couplage faible et fort. 6) Assemblee d'atomes a deux niveaux et champ quasi-resonnant : vecteur de Bloch collectif, superradiance, memoires quantiques. 7) Systemes a trois niveau: pompage optique, piegeage coherent de population, deplacements lumineux, transparence electromagnetiquement induite, sauts quantiques. 8) Fluctuations et correlations dans l'interaction matiere rayonnement: bruit de projection, equation de Langevin quantique, correlations d'intensite dans l'emission spontanee. Annexes: - elements sur la structure des atomes, - matrice densite.
Cours donne au M2 Concept Fondamentaux de la Physique, Parcours Physique Quantique de l'Universite Pierre et Marie Curie-Paris6 Plan du cours: 1) Les approches phenomenologiques de l'interaction matiere rayonnement: modele de Lorentz, modele d'Einstein. 2) L'approche semi-classique: equations de Bloch pour un champ monochromatique et pour un champ a spectre large. 3) Description quantique du champ electromagnetique libre: quantification sur differentes base de modes, impulsion et moment cinetique du rayonnement, quelques etats quantiques remarquables. 4) Interaction atome-champ quantique: hamiltonien et processus d'interaction. 5) Emission spontanee: etat du systeme atome+champ, relaxation d'un atome par emission spontanee. 6) Interaction quasi-resonnantes dans les systemes a deux niveaux: precession de Rabi, franges de Ramsey, saturation de l'absorption, modele de Jaynes Cummings, regimes de couplage faible et fort, cas de N atomes. 7) Systemes a trois niveau: pompage optique, piegeage coherent de population, deplacements lumineux, transparence electromagnetiquement induite, sauts quantiques. 8) Fluctuations et correlations dans l'interaction matiere rayonnement: bruit de projection, equation de Langevin quantique, correlations d'intensite dans l'emission spontanee. Annexes: - elements sur la structure des atomes, - matrice densite.
Cette thèse présente l'étude des phénomènes transitoires lors de l'interaction d'un atome à deux niveaux avec des impulsions quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s'appuie ce manuscrit. Dans un traitement semi-classique du problème, où le champ n'est pas traité quantiquement, nous montrons qu'il est possible de réaliser des transitions non-adiabatiques à l'aide d'impulsions lumineuses non-résonantes en régime de couplage fort. Nous introduisons ensuite le modèle de Jaynes-Cummings qui permet de traiter l'ensemble du système quantiquement, pour un champ mono-mode. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d'un atome à deux niveaux traversant un micro-maser mono-mode. Dans ce cas, ce n'est pas le champs qui est transitoire mais le terme de couplage avec l'atome. La modulation du profil du champ contenu dans la cavité permet de réaliser des transitions non-adiabatiques. \nLe système se propage alors, à l'intérieur de la cavité, dans une superposition d'états adiabatiques. L'état final en sortie de la cavité peut être compris à l'aide d'un schéma d'interférence de type Ramsay. Lorsque l'énergie incidente de l'atome est du même ordre du grandeur que l'énergie d'interaction, le déplacement du centre de masse doit être quantifié afin de prendre correctement en compte les couplages opto-mécaniques. Nous développons pour cela une approche temporelle, en définissant plusieurs temps, associés aux différents états adiabatiques. Nous étudions dans les parties suivantes les configurations où un ou deux atomes sont confinés dans un guide d'onde à une dimension. \nCette configuration permet d'obtenir un régime de couplage fort, même pour un paquet d'onde à un seul photon. Dans le cas où il n'y a qu'un seul atome nous démontrons un théorème contraignant l'aire de l'impulsion transmise. En effet, pour un régime de couplage arbitraire, l'aire de l'impulsion transmise est systématiquement nulle. La contrepartie dans le domaine spectral est que la fréquence centrale de l'impulsion, résonante avec la transition atomique, est totalement réfléchie. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d'onde, nous explorons les processus d'échanges de photons entre ces atomes. Afin de traiter correctement l'influence des photons virtuels, nous montrons que l'approximation de l'onde tournante ne doit pas être faite. La dynamique des champs rayonnés est alors comprise en la reliant aux états retardés de Dicke. L'échange de photons virtuels conduit à une modification des niveaux de ces états et à une modification significative des spectres rayonnés. L'influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Nous montrons que le théorème contraignant l'aire de l'impulsion reste valable dans cette situation. Finalement nous traitons dans une dernière partie de l'interaction d'un atome à deux niveaux contenus dans un guide d'onde avec des champs non-classiques arbitraires. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode en quantifiant le flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d'états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes d'états. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous faisons alors la distinction entre couplage intra- et inter-bandes.
Nous avons consacré cette thèse à l'étude des différents processus non-linéaires de l'interaction rayonnement-matière et en particulier à la génération des solitons de gap dans les milieux non-linéaires à bandes interdites. Dans la première partie nous avons utilisé un modèle semi-classique de Maxwell-Bloch pour décrire l'interaction d'un milieu à deux niveaux quantiques avec charges avec un champ électromagnétique classique à travers la densité de population, qui est à l'origine même de la non-linéarité. Le couplage non-linéaire qui en résulte génère des phénomènes particulièrement intéressants (génération et diffusion des solitons de gap) à la résonance, quand la pulsation du champ appliqué est proche de la fréquence de transition du milieu à deux niveaux. La dynamique non-linéaire observée numériquement est expliquée à l'aide d'un modèle de Schrödinger non-linéaire dans un potentiel lié aux charges du milieu. La deuxième partie concerne l'étude théorique de la dynamique des solitons quadratiques dans les amplificateurs paramétriques optiques (OPA). Les équations décrivant l'interaction à trois ondes dégénérée dans un cristal biréfringent non-linéaire ont été établies en prenant en compte la diffraction transverse et le walk-off spatial. Nous avons proposé une méthode pour résoudre le problème ardu de la détermination du seuil de supratransmission non-linéaire dans les OPA et nous avons généralisé les résultats obtenus à une grande classe de systèmes non-linéaires non-intégrables à composantes multiples.
Ce travail est consacré à l'étude quantique du couplage du spin collectif d'un ensemble d'atomes avec le champ électromagnétique. Nous avons généré des états comprimés du champ par interaction non-linéaire en cavité avec un nuage d'atomes froids de césium se comportant comme un milieu Kerr. Nous montrons ensuite expérimentalement que l'état quantique d'un faisceau lumineux peut être transféré à une cohérence Zeeman de grande durée de vie par transparence induite électromagnétiquement dans une vapeur de césium. Deux quadratures du champ qui ne commutent pas sont stockées simultanément puis relues sans leur ajouter de bruit. Enfin, deux protocoles sont proposés pour réduire directement les fluctuations quantiques du moment angulaire collectif d'un ensemble d'atomes, soit en exploitant les non-linéarités apparaissant lors d'un piégeage cohérent de population, soit par l'intermédiaire de mesures quantiques non-destructives d'alignement utilisant un couplage linéaire par effet Raman.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.