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Since the invention of the Chirped Pulse Amplification technique, achievable laser intensities never stopped increasing. The upcoming facilities are expected to deliver several PW peak power on a focal spot of a few microns diameter. When particles interact with those extreme electromagnetic fields, nonlinear effects of a quantum nature can be dominant, described by the so-called strong-field quantum electrodynamics (SFQED). Among the prediction of SFQED two phenomena in particular attracted the interest of the community over the last decade. The first one, the nonlinear Compton scattering process, is the emission of a high energy gamma photon (from a hundred of MeV to tens of GeV) by an electron or a positron interacting with a strong background field. The second one is the nonlinear Breit-Wheeler (NBW) process, that consists in the creation of an electron-positron pair from the conversion of a high energy gamma photon interacting with the strong electromagnetic field. Thanks to this processes, multi-PW laser facilities open the way to prolific electron-positron pair production in the laboratory. The ultimate goal, although not yet achievable in current facilities, is the creation of an electron-positron pair plasma in the laboratory. This kind of plasma is of interest from a fundamental point of view for its exotic properties, but also because it is present in the astrophysical environment. The common thread in this thesis is the optimisation of pair creation in ultra intense lasers, for which two promising physical configurations achievable in the future were studied. The first one, in the so-called shower-regime, involves the head-on collision of a high intensity laser pulse with a flash of high energy gamma photons. A semi-analytical model was developed for this configuration that takes fully into account the laser pulse spatio-temporal distribution and allows to predict quickly the amount of produced pairs. The model prediction was in excellent agreement with three dimensional Particle-in-cell (PIC) simulations performed with the code SMILEI. A systematic study for different laser pulse configurations was performed, by considering a fixed total pulse energy, to match experimental conditions. In this study Laguerre-Gauss (LG) beams, or vortex beams, were also considered because of their interesting properties, such as a ring shape transverse intensity distribution, and the fact that they carry orbital angular momentum. The study allowed to identify the optimal focalisation in order to maximise pair production that, depending on the total energy available, is not necessarily the tightest focus. General guidelines for upcoming experiments were also provided. The second configuration studied involves two counter streaming laser beams, with seeding electrons in the focal plane. With this set-up an exponential growth (avalanche) of the pairs’ number can be obtained, as charges are constantly reaccelerated and emit gamma photons, further converted into pairs. The present work re-examined the conditions for the inset of the avalanche in a realistic 3D geometry for the laser pulse, and extended the study to LG beams. We studied semi-analytically the short time (less than a laser period) particle dynamics in the counter streaming lasers and showed that there are large qualitative differences in the onset of the cascade depending on the field configuration. The growth rate of pair production was derived from 3D PIC simulations and confirmed the qualitative differences. Moreover we showed that -at the same peak intensity- LG beams can have larger growth rates than Gaussian beams. The analysis of the short time particle dynamics allowed to propose a new model to predict the growth rate of the avalanche for an idealised configuration, with the perspective of an extension to a more realistic 3D counter-streaming beams configuration.; Depuis l’invention de la technique de Chirped Pulse Amplification, les intensités lasers atteignables n’ont cessé d’augmenter. Les futures installations devraient produire des puissances de plusieurs PW sur des tâches focales de quelques microns. Quand des particules interagissent avec ces champs extrêmes, des effets non-linéaires de nature quantique, décrits par l’électrodynamique quantique en champs forts (SFQED), peuvent devenir dominants. Parmi les prédictions de cette théorie, deux phénomènes on particulièrement attiré l’attention de la communauté ces dernières années. Le premier, la diffusion Compton non-linéaire, est l’émission d’un photon gamma de haute énergie (d’une centaine de MeV à des dizaines de GeV) par une charge interagissant avec le champ fort. Le second est le processus Breit-Wheeler non-linéaire (NBW), qui est la conversion d’un photon gamma de haute énergie en une paire électron positrons, lors de l’interaction avec un électromagnétique champ fort.Grâces à ces processus, les installations multi-PW ouvrent la voie vers une production de paires électrons-positrons abondante en laboratoires. L’objectif ultime, bien qu’inaccessible dans les installations actuelles, est la création d’un plasma de paires électron-positron. Ce genre de plasma est intéressant fondamentalement pour ces propriétés exotiques, mais aussi car il est présent dans des environnements astrophysiques. Le thème de cette thèse est l’optimisation de la production de paires dans les lasers ultra intenses. Pour cela deux configurations physiques prometteuses ont été étudiées. La première, appelée shower, est la collision frontale d’une impulsion laser haute intensité avec un flash de photons gamma de haute énergie. Un modèle semi-analytique a été développé pour cette configuration, prenant en compte la structure spatio-temporelle de l’impulsion laser, et permettant de prédire rapidement le nombre de paires produites. Ce modèle est en excellent accord avec des simulations Particle-in-cell (PIC) en trois dimensions réalisées avec le code SMILEI. Une étude systématique avec différentes configurations d’impulsions a été réalisée, en fixant l’énergie totale de l’impulsion pour se rapprocher des conditions expérimentales. Dans cette analyse, des faisceaux Laguerre-Gauss (LG), ou faisceaux à vortex, ont été étudiés en raison de leurs propriétés intéressantes, comme leur distribution d’identité en forme d’anneau ou le fait qu’ils transportent un moment angulaire orbital. Cette étude a permis d’identifier la focalisation optimale pour la création de paires, qui selon l’énergie totale disponible n’est pas nécessairement la focalisation maximale. Ce travail dispense aussi des conseils généraux pour les futures expériences. La seconde configuration étudiée est formée de deux faisceaux laser contre-propagatifs, avec des électrons placés initialement au plan focal. Dans ce cas une croissance exponentielle du nombre de paires (avalanche) peut-être obtenue, car les charges sont constamment réaccélérées et rayonnent des photons gamma, par la suite convertis en paires. Le présent travail réévalue les conditions de démarrage de la cascade dans une géométrie 3D réaliste pour les impulsions lasers, et étend l’étude aux faisceaux LG. Il est présenté une analyse semi-analytique de la dynamiques des particules sur les temps courts (petits comparés à la période laser) dans cette configurations de faisceaux contre-propagatifs. Il est montré qu’il y a de grandes différences qualitatives dans le déclenchement de l’avalanche suivant la configuration des champs. Le taux de croissance des paires obtenu de simulations PIC 3D confirme ces différences. De plus il est montré qu’à amplitudes maximum égales, les LG on un plus haut taux de croissances que les faisceaux gaussiens. L’analyse de la dynamique aux temps courts permet de proposer un nouveau modèle pour prédire le taux de croissance dans un cas idéal, avec le potentiel d’être étendu à des cas plus réalistes.

The main goal of my thesis was to pave the way towards quantum-chemicalizing quantum electrodynamic (QED) corrections. In other words, to translate QED connections to the language of quantum chemistry: to the framework of the finite basis approximation. In addition, we wanted to study the embedding of QED corrections in the Hartree-Fock theory. The analytical corrections provided by QED were marvelously able to fill an enormous percentage of the gap between the relativistic theory of Dirac and the experiment. Once the perturbation expansion is performed (on energy for example), one obtains two kinds of contributions: 1) Radiative corrections: in which the representing Feynman diagrams contain electron and/or photon loops. 2) Non-radiative corrections: in which electrons exchange virtual photons, which account for correlation corrections. So far, in quantum chemistry, the correlation effects are very well studied and understood, while radiative corrections are not. The inclusion of these QED corrections in numerical computations (which approximates atomic and molecular problems) is still very limited due to the enormous complication which arises when a big number of electrons orbits a molecular (generally non-radial) nuclear potential. The main attempts to take into account these radiative corrections were done by including some of the low-order corrections in forms of effective potentials, for example: 1) The Uehling and Kallen-Sabry effective potentials, representing two low-order vacuum polarization (QED) corrections. 2) Effective self-energy QED potential, describing a low order self-energy (QED) correction. More accurate computations which include complicated higher-order corrections were already performed on "simple" systems, such as one- or few-electron atoms, but not for the many-electron molecular ones, and hence the motivation to treat these corrections in quantum chemistry in a fast numerical way, where QED corrections are constructed from solutions which are expanded in a set of basis functions. During my thesis, we studied the Charge conjugation symmetry (C-symmetry) of the Dirac equation, in the framework of the finite basis, and this study gave birth to our article titled "Charge Conjugation Symmetry in the Finite Basis Approximation of the Dirac Equation". We also performed an extensive amount of numerical tests where we tried to compute the vacuum polarization density in the DIRAC code. In addition, I constructed numerical programs that treated the one-electron problem in a finite basis approximation of the Dirac equation, using different prescriptions: Restricted, Inverse, and Dual Kinetic Balance, where basis functions are the quantum chemist's favorite ones, i.e. the spherical Gaussians. We finally found that in the case where the C-symmetry was respected, we obtained more physical (numerical) results which were in line with the Furry theorem, and simplified our numerical computation of the vacuum polarization density. We also studied the S-matrix formalism, where we derived the first-order QED corrections, and obtained expressions that can be employed in a numerical calculation. We also studied the effective QED potentials that were derived and used in numerical calculations. Furthermore, I have built a program that simulates the electron orbiting a Gaussian nuclear model, where I computed the vacuum polarization correction, and employed a new method of chopping large momentum components, a method that translates numerically the idea of choosing a cutoff in momentum space. [...]; L'objectif principal de ma thèse était d'ouvrir la voie à des corrections électrodynamiques quantiques (QED) à chimie quantique. En d'autres termes, traduire les corrections QED au langage de la chimie quantique: au cadre de l'approximation à base finie. Les corrections analytiques apportées par QED ont merveilleusement pu combler un énorme pourcentage de l'écart entre la théorie de Dirac et l'expérience. Une fois le développement perturbatif est effectué (sur l'énergie par exemple), on obtient deux sortes de contributions: 1) Corrections radiatives: contenant des boucles d'électrons et/ou de photons. 2) Corrections non radiatives: les électrons échangent des photons virtuels: corrections de corrélation. Jusqu'à présent, en chimie quantique, les effets de corrélation sont très bien étudiés, alors que les corrections radiatives ne le sont pas. L'inclusion de ces corrections QED dans les calculs numériques est encore très limitée en raison de l'énorme complication qui apparaissent lorsqu'un grand nombre d'électrons orbite autour d'un potentiel nucléaire moléculaire (généralement non-radial). Les principales tentatives de prise en compte de ces corrections radiatives ont été faites en incluant certaines corrections d'ordre faible sous des formes de potentiels effectifs, par exemple : 1) Les potentiels de Uehling et Kallen-Sabry, représentant deux corrections de polarisation du vide. 2) Potentiel QED d'auto-énergie effectif, décrivant une correction d'auto-énergie. Des calculs plus précis qui incluent des corrections d'ordre supérieur compliquées ont déjà été effectués sur des systèmes "simples", tels que des atomes à un ou quelques électrons, mais pas pour les systems moléculaires à plusieurs électrons, d'où la motivation de traiter ces corrections en chimie quantique, d'une manière numérique rapide, où les corrections QED sont construites à partir de solutions qui sont développées dans la base. Au cours de ma thèse, nous avons étudié la symétrie de conjugaison de charge (C-symétrie) de l'équation de Dirac, dans le cadre de la base finie, et cette étude a donné naissance à notre article intitulé "Charge Conjugation Symmetry in the Finite Basis Approximation of the Dirac Equation ". Nous avons également effectué un nombre de tests numériques où nous avons essayé de calculer la densité de polarisation du vide dans le code DIRAC. De plus, j'ai construit des programmes qui traitaient le problème à un électron dans une base finie, en utilisant différentes prescriptions : Restricted, Inverse et Dual Kinetic Balance, où les fonctions de base sont les préférées du chimiste quantique, c'est-à-dire la sphérique Gaussiens. Nous avons finalement trouvé que dans le cas où la C-symétrie était respectée, nous obtenions des résultats plus physiques (numériques) conformes au théorème de Furry, avec des simplification du calcul numérique de la densité du vide. Nous avons également étudié le formalisme de la matrice S, où nous avons dérivé les corrections QED de premier ordre, et obtenu des expressions qui peuvent être utilisées dans un calcul numérique. Nous avons encore étudié les potentiels QED effectifs qui ont été dérivés et utilisés dans les calculs numériques. De plus, j'ai construit un programme qui simule l'électron en orbite un noyeau gaussien, où j'ai calculé la correction de polarisation du vide, et j'ai utilisé une nouvelle méthode de découpage de composants de grande quantité de mouvement, une méthode qui traduit numériquement l'idée de choisir une coupure dans l'espace de quantité de mouvement.[...]

Electron-positron pair creation by the mean of two real photon collision (linear Breit-Wheeler process) is one of the most basic quantum electrodynamics process, and is believed to underlie a large amount of high energy astrophysical phenomena, such as the Universe opacity to TeV photons or the production of pair plasmas near compact objects (AGN, pulsars). However, this process has never been directly observed in the laboratory since its prediction in 1934, mainly because of the absence of high flux MeV-range photon sources. Due to the continuous development of high-power and high-intensity laser systems, the production of such photon sources become however conceivable. Despite the diversity of methods to produce energetic photons by lasers, previous estimates seems to show that the radiation sources produced whether by the slowing-down of electrons in matter (Bremsstrahlung), by the linear inverse Compton scattering process, or by the multi-photon inverse Compton scattering process (sometimes called synchrotron-like) are among the most credible sources for the electron-positron pair production by two real photon collisions. The interaction of such multi-MeV photons with matter could however creates other electron-positron pairs, which could constitute a background noise for the detection of this process. The goal of this thesis is to optimize the production of MeV-range gamma photons by the mean of the interaction of a laser with various kind of targets (simple or structured solid targets) in order to prepare photon-photon collision experiments on existing or currently building laser systems. A semi-analytical model allow firstly to optimize linear Breit-Wheeler pair production in term of the photons sources parameters. Particularly it is shown that, concerning Bremsstrahlung photon sources, the current laser systems already permit to reach the optimum photon energy distributions, opening the possibility to design such experiments at high repetition rate. This study is completed with numerical simulations modeling the electron acceleration in the laser-target interaction (via a Particle-In-Cell code), the gamma photon generation by the electron propagation in matter (via a Monte Carlo code) and the electron-positron pair production in photon-photon collisions (via the TrILEns code). These findings could then be used as a basis to design such experiments on existing or currently building laser systems.; La création de paires électron-positron par collision de deux photons réels (processus Breit-Wheeler linéaire) est un des processus de base de l’électrodynamique quantique, et est supposé sous-tendre un large éventail de phénomènes astrophysiques des hautes énergies, tels que l’opacité de l’Univers aux photons TeV ou la production de plasmas de paires au voisinage d’objets compacts (AGN, pulsars). Cependant, ce processus n’a jusqu’à présent jamais été directement observé en laboratoire depuis sa prédiction en 1934, et ce principalement à cause de l’absence de sources de photons d’énergie autour du MeV de suffisamment haut flux. Grâce au développement continu des systèmes laser de haute puissance et de haute intensité, la production de telles sources de photons devient toutefois désormais envisageable. Malgré la diversité des approches possibles pour la génération de photons énergétiques par laser, de précédentes estimations semblent indiquer que les sources produites : par rayonnement de freinage d’électrons dans la matière (Bremsstrahlung), ou via les processus Compton inverse linéaire ou Compton inverse multiphoton (parfois appelé synchrotron-like), soient des candidates parmi les plus crédibles pour la production de paires électron-positron par collision de deux photons réels. L’interaction de ces photons multi-MeV avec de la matière peut toutefois aussi créer d’autres paires électronpositrons, qui pourraient constituer une source de bruit pour la détection de ce processus. L’objectif de cette thèse est d’optimiser la production de photons d’énergies autour du MeV générés lors de l’interaction d’un laser avec différent types de cibles (cibles solides simples ou structurées) afin de préparer des expériences de collision de photons sur des installations laser existantes ou en cours de construction. Un modèle semi-analytique permet tout d’abord d’optimiser la production de paires électron-positron par le processus Breit- Wheeler linéaire en fonction des paramètres des sources de photons. En particulier il est montré que, pour des sources de photons produits par Bremsstrahlung, les installations laser existantes permettent d’ores et déjà d’atteindre les distributions en énergies optimales, permettant ainsi d’envisager de telles expériences à haut taux de répétition. Cette étude est complétée par des simulations numériques permettant de modéliser l’accélération d’électrons lors de l’interaction du laser avec des cibles structurées (via un code Particle-In-Cell), la génération des photons gamma lors de la propagation d’électrons dans la matière (via un code Monte Carlo) ainsi que la création de paires électron-positron lors de la collision de ces photons gamma (via le code TrILEns). Ces développements pourraient alors servir de base à la préparation de futures expériences sur des installations laser actuelles.

After years of academic development, the circuit quantum electrodynamics is entering the age of applications. This thesis was realized in this context of creating tools to bridge the gap between an astounding academic quantum system, superconducting circuits, and a grand goal, the universal quantum computer. A likely blueprint for quantum processors consists in the assembly of a large number of elementary modules arranged in a network.In this experimental thesis, a possible node for such a network, the quantum node, was developed and fabricated using state-of-the-art techniques for 2D superconducting microwave circuits. This node was first used to implement a novel sequential readout method for a superconducting qubit. This experiment, first proposed in 2013 by Sete et al., potentially allows for faster, more accurate read out of superconducting qubits. The read out of qubits is one of the several bottlenecks limiting the development of fault-tolerant superconducting quantum computers, which made this project both useful as a demonstration of the quantum node and for applications. This novel readout method achieves readout performances close to state-of-the-art of superconducting qubit readout even though the chip was not optimized for that purpose.During this work, we also contributed to two other experiments engineering quantum measurement and dissipation with superconducting circuits. First, a dedicated circuit was developed to demonstrate a new form of quantum measurement: the multiplexed photon number measurement. In that experiment led by A. Essig and Q. Ficheux, a superconducting transmon quantum bit is read out at multiple frequencies simultaneously to extract more than one bit of information about the number of photons contained in a microwave resonator coupled to that quantum bit.Second, we contributed to the experimental demonstration of the exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in a Schrödinger Cat state of a microwave mode. This experiment led by R. Lescanne and Z. Leghtas, demonstrates the improvement by a factor 300 of the lifetime of a qubit thanks to the autonomous error correction realized through the engineering of the dissipation of a microwave mode.; Après des années de développement académique, l’électrodynamique quantique en circuit entre dans l’ère des applications. Cette thèse a été réalisée dans une volonté de créer des outils pour faire le lien entre une curiosité académique quantique, les circuits supraconducteurs, et un objectif majeur, l’ordinateur quantique universel. Une architecture vraisemblable de processeur quantique consiste à connecter en réseau un grand nombre de modules élémentaires. Lors de cette thèse expérimentale, le noeud d’un tel réseau, le quantum node, a été développé et fabriqué grâce aux techniques de l’état de l’art des circuits imprimés quantiques microonde. Ce circuit a été utilisé pour réaliser pour la première fois une méthode de lecture séquentielle d’un qubit supraconducteur. Cette méthode, proposée en 2013 par Sete et al., permettrait une lecture plus rapide et plus précise des qubits supraconducteurs. La lecture des qubits est l’un des obstacles majeurs limitant le développement d’ordinateurs quantiques universels sans erreur, ce qui rend ce projet autant intéressant pour sa mise en oeuvre inédite du quantum node que pour ses applications. Cette nouvelle méthode de lecture atteint des performances proches de l’état de l’art alors même que le circuit n’était pas optimisé pour cette fin. Lors de cette thèse, nous avons aussi contribué à deux autres expériences d’optique quantique microonde, détaillées ici. Un circuit dédié a été développé pour démontrer une nouvelle forme de mesure quantique : la mesure multiplexée du nombre de photons. Dans cette expérience, menée par A. Essig et Q. Ficheux, un qubit supraconducteur est lu simultanément à plusieurs fréquences pour extraire plus d’un bit d’information à la fois à propos du nombre de photons contenus dans un résonateur microonde couplé à un qubit. Enfin, nous avons contribué à la démonstration expérimentale de la suppression exponentielle des bit-flips dans un qubit encodé dans un état de chat de Schrödinger d’un mode microonde. Cette expérience, menée par R. Lescanne et Z. Leghtas, démontre une augmentation par un facteur 300 du temps de vie du qubit grâce à la correction d’erreur quantique autonome réalisée grâce à l’ingénierie de la dissipation d’un mode microonde.

After years of academic development, the circuit quantum electrodynamics is entering the age of applications. This thesis was realized in this context of creating tools to bridge the gap between an astounding academic quantum system, superconducting circuits, and a grand goal, the universal quantum computer. A likely blueprint for quantum processors consists in the assembly of a large number of elementary modules arranged in a network.In this experimental thesis, a possible node for such a network, the quantum node, was developed and fabricated using state-of-the-art techniques for 2D superconducting microwave circuits. This node was first used to implement a novel sequential readout method for a superconducting qubit. This experiment, first proposed in 2013 by Sete et al., potentially allows for faster, more accurate read out of superconducting qubits. The read out of qubits is one of the several bottlenecks limiting the development of fault-tolerant superconducting quantum computers, which made this project both useful as a demonstration of the quantum node and for applications. This novel readout method achieves readout performances close to state-of-the-art of superconducting qubit readout even though the chip was not optimized for that purpose.During this work, we also contributed to two other experiments engineering quantum measurement and dissipation with superconducting circuits. First, a dedicated circuit was developed to demonstrate a new form of quantum measurement: the multiplexed photon number measurement. In that experiment led by A. Essig and Q. Ficheux, a superconducting transmon quantum bit is read out at multiple frequencies simultaneously to extract more than one bit of information about the number of photons contained in a microwave resonator coupled to that quantum bit.Second, we contributed to the experimental demonstration of the exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in a Schrödinger Cat state of a microwave mode. This experiment led by R. Lescanne and Z. Leghtas, demonstrates the improvement by a factor 300 of the lifetime of a qubit thanks to the autonomous error correction realized through the engineering of the dissipation of a microwave mode.; Après des années de développement académique, l’électrodynamique quantique en circuit entre dans l’ère des applications. Cette thèse a été réalisée dans une volonté de créer des outils pour faire le lien entre une curiosité académique quantique, les circuits supraconducteurs, et un objectif majeur, l’ordinateur quantique universel. Une architecture vraisemblable de processeur quantique consiste à connecter en réseau un grand nombre de modules élémentaires. Lors de cette thèse expérimentale, le noeud d’un tel réseau, le quantum node, a été développé et fabriqué grâce aux techniques de l’état de l’art des circuits imprimés quantiques microonde. Ce circuit a été utilisé pour réaliser pour la première fois une méthode de lecture séquentielle d’un qubit supraconducteur. Cette méthode, proposée en 2013 par Sete et al., permettrait une lecture plus rapide et plus précise des qubits supraconducteurs. La lecture des qubits est l’un des obstacles majeurs limitant le développement d’ordinateurs quantiques universels sans erreur, ce qui rend ce projet autant intéressant pour sa mise en oeuvre inédite du quantum node que pour ses applications. Cette nouvelle méthode de lecture atteint des performances proches de l’état de l’art alors même que le circuit n’était pas optimisé pour cette fin. Lors de cette thèse, nous avons aussi contribué à deux autres expériences d’optique quantique microonde, détaillées ici. Un circuit dédié a été développé pour démontrer une nouvelle forme de mesure quantique : la mesure multiplexée du nombre de photons. Dans cette expérience, menée par A. Essig et Q. Ficheux, un qubit supraconducteur est lu simultanément à plusieurs fréquences pour extraire plus d’un bit d’information à la fois à propos du nombre de photons contenus dans un résonateur microonde couplé à un qubit. Enfin, nous avons contribué à la démonstration expérimentale de la suppression exponentielle des bit-flips dans un qubit encodé dans un état de chat de Schrödinger d’un mode microonde. Cette expérience, menée par R. Lescanne et Z. Leghtas, démontre une augmentation par un facteur 300 du temps de vie du qubit grâce à la correction d’erreur quantique autonome réalisée grâce à l’ingénierie de la dissipation d’un mode microonde.

In this dissertation we present studies of two Coulomb bound systems of very different nature: triplet excitons which are neutral strongly bound states possesing a long lived spin which can addressed by magnetic field and electrons on helium bound to their image charge inside liquid helium owning large dipolar momentum and which are thus sensitive to electric field. In the sense these two systems are complementary and we will show that in both cases simple quantum mechanical models allow to gain a deep insight in the system structure. This Dissertation is divided in two parts. In the first part we investigate bi-exciton fine structure and geometrical aspects of their formation in organic semiconductors. In the second part we demonstrate a new way to realise a quantum electrodynamics system of an atom interacting with an oscillator. Thus we start with rather applied research and then continue with fundamental physics. Despite of very different physical systems explored, both subjects are linked by the experimental spectroscopic methods which we developed.Singlet fission materials exhibit great richness of such phenomena and combine processes and effects occurring in many various physical systems, like photoluminescence, spectral hole burning, excitons formation, diffusion and annihilation, dipolar and exchange coupling, photon up- and down-conversion etc.We present here careful studies of such an intrinsic spin property of TIPS-tetracene as the bi-exciton formation following singlet fission. We focused on two aspects of spin composition in TIPS-tetracene. First, we will present intra-triplet coupling studies. For that we used optically detected magnetic resonance, to probe different spin species and follow their evolution in varying conditions. From those measurements we obtain dipolar coupling parameters for triplet and quintet excitations, examine samples’ morphology and determine not only triplet excitons orientations in the samples, but also establish inner geometry of bi-exciton formation by two exchange-coupled triplet excitons - identify specific molecular sites on which quintet (bi-exciton) states reside via correlating experimentally extracted spin structure with the molecular crystal structure.Then another aspect concerns the coupling actually forming a quintet state of two triplets - we present collaborative results on inter-triplet exchange coupling investigated by means of high field magneto-photoluminescence measurements. They allow us to assign certain exchange-coupling strength values to various triplet pairs and specify photoluminescence spectra corresponding to each pair.2 dimensional electron gas (2DEG) on the liquid helium surface is interesting for fundamental research and applied science at the same time. For both interests one needs to be able to manipulate the system and to tune it finely. We profit from extraordinary characteristics of this system to realise a fundamental quantum electrodynamics (QED) system, in which an atom interacts with an electromagnetic field.Using high purity 2DEG is indeed an original approach to QED with its’ proper advantages and difficulties we managed. We applied perpendicular electric field to confine the electrons, thus inducing Rydberg energy levels series, which then plays role of a hydrogen-like atom. Then perpendicular magnetic field quantized the electrons’ in-plane motion, resulting in equidistant Landau levels - an oscillator for the QED system. Further to couple the atom to the oscillator we mixed perpendicular and in-plane motion degrees of freedom by applying parallel magnetic field. Energy levels are monitored using Stark spectroscopy measurements. In order to describe this coupling we derived Jaynes-Cummings type Hamiltonian with no fitting parameters and it showed perfect agreement with the experimental results. Thus we realised experimentally coupling between quantum objects easily tunable by the parallel magnetic field strength.; Dans cette thèse, nous présentons l’étude de deux systèmes de nature différente mais dont la physique dans les deux cas est dominée par les interactions coulombiennes: les excitons dans les photoconducteurs organiques dont le spin peut être manipulé par un champ magnétique et les électrons à 2 dimensions sur l'hélium liés à leur charge d'image et dont le moment dipolaire est fortement couplé au champ électrique. Nous montrerons dans les deux cas que des modèles simples de mécanique quantique permettent de bien comprendre leurs propriétés physiques. Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, nous étudions la structure fine des bi-excitons et les aspects géométriques de leur formation dans les semi-conducteurs organiques. Dans la deuxième partie, nous démontrons une nouvelle façon de réaliser un système électrodynamique quantique (QED) d'un atome en interaction avec un oscillateur. En dépit des systèmes physiques différents explorés, les deux sujets sont liés par les méthodes spectroscopiques expérimentales développées dans cette thèse.Les matériaux présentant de la fission d’excitons singlets en deux excitons triplets présentent une grande richesse de phénomènes physiques, liés à la diffusion et l’annihilation, leur couplage par interactions dipolaires et d'échange. Nous présentons ici des études approfondies de la physique du spin du TIPS-tétracène liées à la formation de bi-excitons après la fission de singlets. Nous nous sommes concentrés sur deux aspects de la composition du spin dans le TIPS-tétracène. Dans un premier temps, nous présenterons des études de couplage intra-triplet. Pour cela, nous avons utilisé la résonance magnétique détectée optiquement, afin de sonder les différentes espèces de spin et de suivre leur évolution en fonction des paramètres physiques pertinents. À partir de ces mesures, nous obtenons l’amplitude du couplage dipolaire magnétique pour les excitations de triplets et de quintets en fonction de la morphologie des échantillons et déterminons ainsi non seulement les orientations des excitons triplets dans les échantillons, mais également la géométrie interne de la formation de bi-excitons à partir de deux excitons de triplets couplés par échange. Ceci nous permet d’identifier spécifiquement les sites moléculaires sur lesquels résident les états du quintet via la corrélation existant entre la structure de spin extraite de manière expérimentale et la structure cristalline moléculaire.Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) à la surface de l'hélium liquide est intéressant à la fois pour la recherche fondamentale et les sciences appliquées. Dans les deux cas, il faut pouvoir manipuler le système et le régler avec précision. Nous profitons des caractéristiques extraordinaires de ce système pour réaliser un système fondamental QED, dans lequel un atome interagit avec une cavité électromagnétique.L’utilisation de la haute pureté du 2DEG est en effet une approche originale de la QED avec ses avantages et ses difficultés propres. Nous avons appliqué un champ électrique perpendiculairement à la couche pour confiner les électrons, induisant ainsi une série de niveaux d'énergie de Rydberg, présentant une analogie avec un atome. Un champ magnétique perpendiculaire donne lieu à la formation de niveaux de Landau équidistants - un oscillateur harmonique pour le système QED. Pour coupler l'atome à l'oscillateur, nous avons mélangé les degrés de liberté de mouvement parallèles et transverses au plan des électrons en appliquant un champ magnétique parallèle. Les niveaux d'énergie sont contrôlés à l'aide de mesures de spectroscopie Stark. Afin de décrire ce couplage nous avons utilisé un hamiltonien de type Jaynes-Cummings donnant un accord parfait avec les résultats expérimentaux. Ainsi, nous avons réalisé expérimentalement un couplage entre objets quantiques facilement ajustable via l’intensité du champ magnétique.

In this thesis, we have studied carbon nanotube-based nanocircuits integrated in a microwave cavity architecture. Our device is compatible with the simultaneous measurement of both the current through the nanocircuit and the frequency shift of the cavity. These two signals give complementary information about the device. In the two experiments presented in this thesis, the carbon nanotube was positioned above a magnetic material containing several magnetization domains. The resulting magnetic stray field’s axis oscillates along the carbon nanotube length. For the confined electrons, this is equivalent to both a synthetic spin-orbit interaction and a Zeeman effect. This synthetic effect is evidenced in two ways. In a first experiment, we have measured the evolution of the nanotube’s energy levels when the magnetic material is progressively magnetized by an external magnetic field, thus destroying the oscillations of the stray field. In this experiment, the carbon nanotube had a very transparent contact to a superconducting metal, in addition to the synthetic spin-orbit interaction and Zeeman effect. These ingredients are a pre-requisite to observe Majorana quasiparticles in a one-dimensional nanoconductor. Those quasiparticles are under intense study for their potential use in quantum computing. In the second experiment, we have realized a double quantum dot in which each dot similarly lays above an oscillating magnetic field. The internal transitions of this DQD are measured with the microwave cavity signal. We evidenced a strong dispersion of the energy of the double quantum dots’ internal transitions with a small external magnetic field. This dispersion can be explained by a Zeeman effect in which the Landé factor, g, has been strongly renormalized by the synthetic spin-orbit interaction.; Dans cette thèse, nous avons étudié des nanocircuits à base de nanotubes de carbone intégrées dans une cavité micro-onde. Notre dispositif permet de réaliser simultanément des mesures de transport et des mesures micro-ondes, qui donnent des informations complémentaires sur le nanocircuit. Dans les deux expériences réalisées durant cette thèse, un nanotube de carbone est placé au-dessus d’un matériau magnétique qui présente plusieurs domaines d’aimantation. L’axe du champ magnétique de fuite résultant oscille le long du nanotube. Pour les électrons confinés, il est équivalent à un couplage spin-orbite synthétique et à un effet Zeeman. Cet effet synthétique est mis en évidence de deux manières. Dans une première expérience, nous avons mesuré l’évolution des niveaux d’énergie de la boîte quantique quand le matériau magnétique est progressivement aimanté par un champ extérieur, ce qui détruit le champ oscillant. Dans cette expérience, le nanotube a un très bon contact avec un métal supraconducteur en supplément des effets spin-orbite et Zeeman synthétique, qui sont les prérequis pour obtenir des quasiparticules de Majorana dans un nanoconducteur 1D. De telles quasiparticules sont activement recherchées pour leur utilisation pour le calcul quantique. Dans un second temps, nous avons réalisé une double boîte quantique, dans laquelle chaque boîte est constituée d’un segment de nanotube, situé au-dessus du même champ magnétique oscillant que dans la première expérience. Les transitions internes de ce système sont mesurées à l’aide de la cavité micro-onde. Nous avons mis en évidence une très forte dispersion de l’énergie de la transition interne avec un faible champ magnétique extérieur, qui peut être expliqué par un effet Zeeman pour lequel le facteur de Landé, g, a été fortement renormalisé par l’interaction spin-orbite synthétique.

In this thesis, we have studied carbon nanotube-based nanocircuits integrated in a microwave cavity architecture. Our device is compatible with the simultaneous measurement of both the current through the nanocircuit and the frequency shift of the cavity. These two signals give complementary information about the device. In the two experiments presented in this thesis, the carbon nanotube was positioned above a magnetic material containing several magnetization domains. The resulting magnetic stray field’s axis oscillates along the carbon nanotube length. For the confined electrons, this is equivalent to both a synthetic spin-orbit interaction and a Zeeman effect. This synthetic effect is evidenced in two ways. In a first experiment, we have measured the evolution of the nanotube’s energy levels when the magnetic material is progressively magnetized by an external magnetic field, thus destroying the oscillations of the stray field. In this experiment, the carbon nanotube had a very transparent contact to a superconducting metal, in addition to the synthetic spin-orbit interaction and Zeeman effect. These ingredients are a pre-requisite to observe Majorana quasiparticles in a one-dimensional nanoconductor. Those quasiparticles are under intense study for their potential use in quantum computing. In the second experiment, we have realized a double quantum dot in which each dot similarly lays above an oscillating magnetic field. The internal transitions of this DQD are measured with the microwave cavity signal. We evidenced a strong dispersion of the energy of the double quantum dots’ internal transitions with a small external magnetic field. This dispersion can be explained by a Zeeman effect in which the Landé factor, g, has been strongly renormalized by the synthetic spin-orbit interaction.; Dans cette thèse, nous avons étudié des nanocircuits à base de nanotubes de carbone intégrées dans une cavité micro-onde. Notre dispositif permet de réaliser simultanément des mesures de transport et des mesures micro-ondes, qui donnent des informations complémentaires sur le nanocircuit. Dans les deux expériences réalisées durant cette thèse, un nanotube de carbone est placé au-dessus d’un matériau magnétique qui présente plusieurs domaines d’aimantation. L’axe du champ magnétique de fuite résultant oscille le long du nanotube. Pour les électrons confinés, il est équivalent à un couplage spin-orbite synthétique et à un effet Zeeman. Cet effet synthétique est mis en évidence de deux manières. Dans une première expérience, nous avons mesuré l’évolution des niveaux d’énergie de la boîte quantique quand le matériau magnétique est progressivement aimanté par un champ extérieur, ce qui détruit le champ oscillant. Dans cette expérience, le nanotube a un très bon contact avec un métal supraconducteur en supplément des effets spin-orbite et Zeeman synthétique, qui sont les prérequis pour obtenir des quasiparticules de Majorana dans un nanoconducteur 1D. De telles quasiparticules sont activement recherchées pour leur utilisation pour le calcul quantique. Dans un second temps, nous avons réalisé une double boîte quantique, dans laquelle chaque boîte est constituée d’un segment de nanotube, situé au-dessus du même champ magnétique oscillant que dans la première expérience. Les transitions internes de ce système sont mesurées à l’aide de la cavité micro-onde. Nous avons mis en évidence une très forte dispersion de l’énergie de la transition interne avec un faible champ magnétique extérieur, qui peut être expliqué par un effet Zeeman pour lequel le facteur de Landé, g, a été fortement renormalisé par l’interaction spin-orbite synthétique.

In this dissertation we present studies of two Coulomb bound systems of very different nature: triplet excitons which are neutral strongly bound states possesing a long lived spin which can addressed by magnetic field and electrons on helium bound to their image charge inside liquid helium owning large dipolar momentum and which are thus sensitive to electric field. In the sense these two systems are complementary and we will show that in both cases simple quantum mechanical models allow to gain a deep insight in the system structure. This Dissertation is divided in two parts. In the first part we investigate bi-exciton fine structure and geometrical aspects of their formation in organic semiconductors. In the second part we demonstrate a new way to realise a quantum electrodynamics system of an atom interacting with an oscillator. Thus we start with rather applied research and then continue with fundamental physics. Despite of very different physical systems explored, both subjects are linked by the experimental spectroscopic methods which we developed.Singlet fission materials exhibit great richness of such phenomena and combine processes and effects occurring in many various physical systems, like photoluminescence, spectral hole burning, excitons formation, diffusion and annihilation, dipolar and exchange coupling, photon up- and down-conversion etc.We present here careful studies of such an intrinsic spin property of TIPS-tetracene as the bi-exciton formation following singlet fission. We focused on two aspects of spin composition in TIPS-tetracene. First, we will present intra-triplet coupling studies. For that we used optically detected magnetic resonance, to probe different spin species and follow their evolution in varying conditions. From those measurements we obtain dipolar coupling parameters for triplet and quintet excitations, examine samples’ morphology and determine not only triplet excitons orientations in the samples, but also establish inner geometry of bi-exciton formation by two exchange-coupled triplet excitons - identify specific molecular sites on which quintet (bi-exciton) states reside via correlating experimentally extracted spin structure with the molecular crystal structure.Then another aspect concerns the coupling actually forming a quintet state of two triplets - we present collaborative results on inter-triplet exchange coupling investigated by means of high field magneto-photoluminescence measurements. They allow us to assign certain exchange-coupling strength values to various triplet pairs and specify photoluminescence spectra corresponding to each pair.2 dimensional electron gas (2DEG) on the liquid helium surface is interesting for fundamental research and applied science at the same time. For both interests one needs to be able to manipulate the system and to tune it finely. We profit from extraordinary characteristics of this system to realise a fundamental quantum electrodynamics (QED) system, in which an atom interacts with an electromagnetic field.Using high purity 2DEG is indeed an original approach to QED with its’ proper advantages and difficulties we managed. We applied perpendicular electric field to confine the electrons, thus inducing Rydberg energy levels series, which then plays role of a hydrogen-like atom. Then perpendicular magnetic field quantized the electrons’ in-plane motion, resulting in equidistant Landau levels - an oscillator for the QED system. Further to couple the atom to the oscillator we mixed perpendicular and in-plane motion degrees of freedom by applying parallel magnetic field. Energy levels are monitored using Stark spectroscopy measurements. In order to describe this coupling we derived Jaynes-Cummings type Hamiltonian with no fitting parameters and it showed perfect agreement with the experimental results. Thus we realised experimentally coupling between quantum objects easily tunable by the parallel magnetic field strength., Dans cette thèse, nous présentons l’étude de deux systèmes de nature différente mais dont la physique dans les deux cas est dominée par les interactions coulombiennes: les excitons dans les photoconducteurs organiques dont le spin peut être manipulé par un champ magnétique et les électrons à 2 dimensions sur l'hélium liés à leur charge d'image et dont le moment dipolaire est fortement couplé au champ électrique. Nous montrerons dans les deux cas que des modèles simples de mécanique quantique permettent de bien comprendre leurs propriétés physiques. Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, nous étudions la structure fine des bi-excitons et les aspects géométriques de leur formation dans les semi-conducteurs organiques. Dans la deuxième partie, nous démontrons une nouvelle façon de réaliser un système électrodynamique quantique (QED) d'un atome en interaction avec un oscillateur. En dépit des systèmes physiques différents explorés, les deux sujets sont liés par les méthodes spectroscopiques expérimentales développées dans cette thèse.Les matériaux présentant de la fission d’excitons singlets en deux excitons triplets présentent une grande richesse de phénomènes physiques, liés à la diffusion et l’annihilation, leur couplage par interactions dipolaires et d'échange. Nous présentons ici des études approfondies de la physique du spin du TIPS-tétracène liées à la formation de bi-excitons après la fission de singlets. Nous nous sommes concentrés sur deux aspects de la composition du spin dans le TIPS-tétracène. Dans un premier temps, nous présenterons des études de couplage intra-triplet. Pour cela, nous avons utilisé la résonance magnétique détectée optiquement, afin de sonder les différentes espèces de spin et de suivre leur évolution en fonction des paramètres physiques pertinents. À partir de ces mesures, nous obtenons l’amplitude du couplage dipolaire magnétique pour les excitations de triplets et de quintets en fonction de la morphologie des échantillons et déterminons ainsi non seulement les orientations des excitons triplets dans les échantillons, mais également la géométrie interne de la formation de bi-excitons à partir de deux excitons de triplets couplés par échange. Ceci nous permet d’identifier spécifiquement les sites moléculaires sur lesquels résident les états du quintet via la corrélation existant entre la structure de spin extraite de manière expérimentale et la structure cristalline moléculaire.Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) à la surface de l'hélium liquide est intéressant à la fois pour la recherche fondamentale et les sciences appliquées. Dans les deux cas, il faut pouvoir manipuler le système et le régler avec précision. Nous profitons des caractéristiques extraordinaires de ce système pour réaliser un système fondamental QED, dans lequel un atome interagit avec une cavité électromagnétique.L’utilisation de la haute pureté du 2DEG est en effet une approche originale de la QED avec ses avantages et ses difficultés propres. Nous avons appliqué un champ électrique perpendiculairement à la couche pour confiner les électrons, induisant ainsi une série de niveaux d'énergie de Rydberg, présentant une analogie avec un atome. Un champ magnétique perpendiculaire donne lieu à la formation de niveaux de Landau équidistants - un oscillateur harmonique pour le système QED. Pour coupler l'atome à l'oscillateur, nous avons mélangé les degrés de liberté de mouvement parallèles et transverses au plan des électrons en appliquant un champ magnétique parallèle. Les niveaux d'énergie sont contrôlés à l'aide de mesures de spectroscopie Stark. Afin de décrire ce couplage nous avons utilisé un hamiltonien de type Jaynes-Cummings donnant un accord parfait avec les résultats expérimentaux. Ainsi, nous avons réalisé expérimentalement un couplage entre objets quantiques facilement ajustable via l’intensité du champ magnétique.

With the advent of the new generation of petawatt lasers, it will become more and more important in the near future to study strong-field QED. As previously mentioned, it can either serve as a new nonperturbative regime for physics beyond the standard model, allow to understand extreme astro-physics events (such as magnetars), or even become a dominant effect in laser-plasma interaction.However, in all these cases, the system under consideration is not a single particle as usually consid-ered in pure SFQED works, but will be a collection of such particles (either electron/photon beams or pair plasmas etc.). It will therefore be important to understand how the behavior of single particles affect the overall state of the system, and in particular the shape of its electron distribution function and of its radiated spectrum. This is what this work is focused on. The manuscript is organized as fol-lows In chapter 2, we introduce the basis of classical electrodynamics and derive all the results and notations that will be useful in the rest of this thesis. We explain why any accelerated charge radiates an electromagnetic field and compute the spectrum radiated by an ultrarelativistic electron. We show that it follows the well-know synchrotron spectrum. When the energy radiated by the electron is no longer negligible, the emitted radiation will counteract on the trajectory of the particle itself. This is the so-called radiation reaction. We derive the Lorentz-Abraham-Dirac (LAD) equation, that describes the motion of an electron, taking into account radiation reaction (RR). We show that this equation presents unphysical solutions and deduce the Landau-Lifshitz (LL) equation, that we will use to describe RR in the classical regime in the rest of this work. We then consider the solution of the LL equation in simplified fields such as plane-waves or constant uniform magnetic fields. The classical radiation dominated regime (CRDR) is described and the limit of validity of the classical description analyzed. Chapter 3 : when the electron quantum parameter is of the order of unity, emitted photons can have an energy close to that of the emitting electron. In this case, radiation reaction can no longer be treated classically. In this chapter, we present the basis of quantum electrodynamics (QED), which is the framework in which such quantum effects can be computed. We derive the Volkov states that take into account exactly the nonperturbative coupling between the electron and the strong background field. These fields are used in the so-called Furry picture in order to compute the different QED pro-cesses such as the nonlinear Compton scattering or the nonlinear Breit-Wheeler process. The cross-sections for these two processes are then analyzed. Chapter 4 : so far, the description of radiation concerned only single particles. Here we introduce the Vlasov equation that describes the evolution of the function distribution of a set a particles. We then see how to modify this equation in order to take into account classical and quantum RR. The numeri-cal resolution of this equation, together with Maxwell's equations is then described, in particular through the well-known PIC loop. We describe how to modify this classical PIC loop in order to in-clude classical and quantum RR, in particular through the use of a Monte-Carlo module. Chapter 5 : we present the state of the art on RR in our community and a brief introduction to the sec-ond part of this thesis where most of the original results are reported. Chapter 6 : after a brief reminder of the Landau-Lifshitz (LL) equation, which describes radiation re-action (RR) in classical electrodynamics (CED) as a deterministic force in the particle momentum equation, we recall the emission properties of a quantum radiating electron. We then turn our attention to the linear Boltzmann equation which is at the center of the kinetic description of RR explored in this thesis [...]; Avec l’avancée de la nouvelle génération de lasers petawatt, il va devenir de plus en plus important d’étudier l’électrodynamique quantique en champ fort. Cette étude peut servir être vue soit comme un nouveau régime non perturbatif pour étudier la physique au delà du modèle standard, soit pour mieux comprendre certains phénomènes astrophysiques (tels que les magnetars), ou encore en tant que phénomène dominant dans l’interaction laser plasma à de telles intensités. Cependant, dans tous ces cas, les système à considérer est, non pas une particule unique comme souvent considéré en électrodynamique quantique pure, mais une collection de telles particules (soit des faisceaux d’électrons ou de photons, soit des plasmas de pairs, etc.). Il est par conséquent important de comprendre comment le comportement d’une particule unique affecte l’état global du système, et en particulier la forme de la fonction de distribution électronique et du champ rayonné. C’est sur ces points que ce travail est centré. Le manuscrit est organisé comme suit : Dans le chapitre 2, on introduit les bases de l’électrodynamique classique, démontre tous les résultats et définit toutes les notations qui seront utiles dans le reste de la thèse. On explique pourquoi une particule accélérée rayonne et calcule le champ rayonné par un électron ultra-relativiste. On montre que ce champ suit le spectre synchrotron. Quand l’énergie rayonnée par l’électron n’est plus négligeable, la radiation émise va rétroagir sur la trajectoire de la particule elle-même. On parle de réaction au rayonnement. On démontre ensuite l’équation de Lorentz-Abraham-Dirac (LAD) qui décrit le mouvement d’un électron en tenant compte de la réaction au rayonnement (RR). On montre que cette équation présente des solutions non physiques et on en déduit l’équation de Landau-Lifshitz, que l’on va utiliser pour décrire la réaction au rayonnement dans le reste de ce travail. On considère ensuite la solution de l’équation de LL dans des situations simples telles que le mouvement dans une ondes plane ou dans un champs magnétique uniforme et constant. Le régime classique dominé par la radiation est ensuite décrit et la limite de validité de la description classique analysée. Chapitre 3 : quand le paramètre quantique de l’électron est de l’ordre de l’unité, les photons émis peuvent avoir une énergie proche de celle de l’électron rayonnant. Dans ce cas, la réaction au rayonnement ne peut plus être traitée classiquement. Dans ce chapitre, on présente les bases de l’électrodynamique quantique, qui est le cadre dans lequel ces effets quantiques peuvent être calculés. On dérive les états de Volkov qui prennent en compte exactement le couplage entre l’électron et le champ fort externe. Ces états sont utilisés dans la représentation de Furry afin de calculer les différents processus d'électrodynamique quantique tels que la diffusion Compton non-linaire ou le processus de Breit-Wheeler. La section efficace de ces processus est ensuite analysée. Chapitre 4 : jusqu’à présent, la description de la radiation concernait une particule unique. Ici, on introduit l’équation de Vlasov qui décrit l’évolution de la fonction de distribution d’un ensemble de particules. On montre ensuite comment modifier cette équation afin de prendre en compte la RR classique et quantique. La résolution numérique de ces équations, ansi que les équations de Maxwell est ensuite décrite, en particulier à travers la très connue boucle PIC. On décrit ensuite comment modifier cette boucle PIC classique pour incorporer la RR, en particulier à travers l’utilisation d’un module Monte-Carlo. Chapitre 5 : on présente l’état de l’art de la RR dans notre communauté et une brève introduction de la partie 2 de cette thèse où l’on reporte la plupart des résultats originaux. Chapitre 6 : après un bref rappel de l’équation de LL, qui décrit la RR en électrodynamique classique, on revient sur les propriétés de la radiation quantique de l’électron [...]

The subject of my thesis was the construction of a new cavity quantum electrodynamics (CQED) setup. This setup allowed us to achieve a long interaction time between circular Rydberg states and a few photons confined inside a high-finesse supraconductor cavity. A cold atoms source produces a slow atomic beam of atoms with a mean velocity of about 12 m.s⁻¹ wich cross the cavity. With a few milisecond interaction time we are able to perform quantum Zeno dynamics (QZD) on the field. This evidently non-classical dynamics constitute an elegant tool to manipulate and synthetize arbitrary superpositions of quasi-classical Glauber states. Thanks to the anaharmonisity of the spectrum this can be achieved via a probe pulse used for measurement, providing in a binary way the complete information to decide if there are n₀ photons in the cavity or not. Thanks to our long interaction time we are able to resolve the dressed states. In this work we describe the first results attesting our abily to achieve a long interaction time. Particularly, we report a long Rabi vacuum oscillation and the spectrum of the dressed states for different cavity fields. Finaly we characterize the efficiency with wich we can select a Fock state using the interaction with only one atom. This thesis paves the way to study QZD on the cavity field.; Mon travail porte sur la construction d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité visant à réaliser un long temps d'interaction entre des atomes, portés dans des états de Rydberg circulaires, et des photons confinés dans une cavité micro-onde supraconductrice. Une source d'atomes froids génère un jet vertical d'atomes lents, traversant le mode de la cavité, avec une vitesse moyenne de 12 m.s⁻¹. Ainsi, nous obtenons un temps d'interaction atome-champ de l'ordre de la milliseconde. Il devrait permettre, en particulier, l'implémentation de l'effet Zénon quantique dynamique (QZD) sur le champ. Cette dynamique non-classique est un outil puissant, permettant la manipulation cohérente de l'état du champ et la synthèse de superpositions arbitraires d'états quasi-classiques de Glauber. Sa mise en œuvre nécessite une perturbation, faisant office de mesure, affectant seulement la cavité quand elle contient un nombre de photons n₀ choisi. Nous mettrons à profit le long temps d'interaction dont nous disposons afin de résoudre le spectre des états de l'atome habillés par le champ. L'anharmonicité du spectre vis-à-vis du nombre de photons permet une mesure sélective sur l'état de Fock n₀. Nous décrivons dans ce travail les premiers résultats expérimentaux attestant notre capacité à obtenir un long temps d'interaction. Nous présentons des données spectroscopiques résolvant les transitions associées aux états habillés correspondant à des nombres de photons allant de zéro à quatre et ce pour divers états du champ. Nous quantifions la sélection du nombre de photons obtenue à partir de telles mesures. Ces résultats ouvrent la voie à l'implémentation de la dynamique de Zénon.

This thesis work is centered around two key aspects of quantum technologies: quantum information processing and quantum sensing. It builds up onto the microwave light toolbox, developed in circuit quantum electrodynamics, to investigate the properties of mesosocopic circuits. Those circuits, made out here of carbon nanotubes, can be designed to act as quantum bits of information or as condensed matter model system and this thesis explore both aspects. The realization of a coherent spin-photon interface illustrates the first one. The experiment relies on ferromagnetic contacts to engineer an artificial spin-orbit coupling in a double quantum dot. This coupling hybridizes the spin and the charge degree of freedom of the electron in this circuit. By embedding this circuit into a microwave cavity, whose electrical field can be coupled to the charge, we realize an artificial spin-photon interface. A second project, started during this thesis, focuses on using quantum dot circuits as model systems. This project consists in coupling, via a microwave cavity, a superconducting qubit, that will serve as a delicate probe, and single quantum dot circuit. Such a circuit can display several behaviors including the Kondo effect which is intrinsically a many-body effect. In this work, we present both a theoretical study of some possible outcomes of this experiment, and experimental developments. Finally, a theoretical proposition to detect the self-adjoint character of Majorana fermions using a microwave cavity, is presented., Ce travail de thèse est centré autour de deux aspects des technologies quantiques: le calcul quantique et la mesure quantique. Il s'appuie sur la boîte à outils de la lumière micro-onde, développé en électrodynamique quantique, pour sonder des circuits mésoscopiques. Ces circuits, fabriqués ici à base de nanotubes de carbone, peuvent être conçus comme des bits quantiques ou comme des systèmes modèles de la matière condensée, et cette thèse explore les deux aspects. La réalisation d'une interface spin-photon cohérente illustre le premier. L'expérience repose sur l'utilisation de contacts ferro-magnétiques pour induire un couplage spin-orbit artificiel dans une double boîte quantique. Ce couplage hybride les degrés de liberté de charge et de spin de l'électron. En incluant ce circuit dans une cavité micro-onde, dont le champ électrique peut être couplé à la charge, nous réalisons une interface spin-photon. Un second projet est centré sur l'utilisation de boîtes quantiques comme systèmes modèles. Ce projet consiste à coupler, via une cavité micro-onde, un qubit supraconducteur, qui servira de sonde peu invasive, et une boîte quantique unique. Un tel circuit peut exhiber différent comportement dont l'effet Kondo, qui est un effet à N-corps. Dans ce travail, nous présentons à la fois une étude théorique, et des travaux expérimentaux. Finalement, un travail en collaboration, sur une proposition théorique pour détecter le caractère auto-adjoint des fermions de Majorana en utilisant une cavité micro-onde, est présenté.

The precise measurement of the 1S-3S transition frequency of hydrogen could have a great impact on the proton charge radius puzzle, which results from the recent spectroscopy of muonic hydrogen. In our experiment, the two-photon 1S-3S transition is excited in a hydrogen atomic beam, with a continuous-wave 205-nm laser which is obtained by sum frequency generation in a non-linear crystal. The transition frequency is measured with respect to the LNE-SYRTE Cs clock by means of a frequency comb. Recording the signal for several values of an applied magnetic field allows to estimate the velocity distribution of the atoms in the beam and deduce the second-order Doppler shift. Other frequency-shifting systematic effects have been taken into account: cross-damping, light shift, collisions. A complete study has shown that the velocity distribution does not depend significantly on the pressure, and allowed to determine the collisional shift. Eventually, a value of the 1S-3S transition frequency is obtained with an uncertainty of about 5 kHz, or a relative uncertainty of 1.7 10^-12. It is in very good agreement with the CODATA recommended value. This new measurement contributes to the ongoing search to solve the proton radius puzzle., La mesure précise de la fréquence de la transition 1S-3S de l'atome d'hydrogène est d'un grand intérêt pour l'énigme du rayon de charge du proton, qui a pour origine les résultats récents de la spectroscopie de l'hydrogène muonique. Nous excitons la transition à deux photons 1S-3S, dans un jet d'atomes d'hydrogène, à l'aide d'un laser continu à 205 nm obtenu par somme de fréquences dans un cristal non-linéaire. La fréquence de la transition est mesurée par rapport à l'horloge à césium du LNE-SYRTE à l'aide d'un peigne de fréquence. L'enregistrement du signal pour différentes valeurs d'un champ magnétique appliqué permet d'estimer la distribution de vitesse des atomes du jet et d'en déduire l'effet Doppler du deuxième ordre. Les autres effets systématiques qui déplacent la transition ont été pris en compte : interférence quantique, déplacement lumineux, collisions. Une étude systématique en fonction de la pression a permis de montrer que la distribution de vitesse ne dépend pas de la pression et de déterminer le déplacement collisionnel. Finalement, une valeur de la fréquence de transition 1S-3S est obtenue avec une incertitude d'environ 5 kHz, ou 1,7 10^-12 en valeur relative. Elle est en très bon accord avec la valeur recommandée par le CODATA. Cette nouvelle mesure contribue à la recherche autour de l'énigme du rayon du proton.

This PhD thesis is concerned with the regime of extreme-intensity laser-matter interaction that should be accessed on upcoming multi-petawatt facilities (e.g. CILEX-Apollon, ELI, IZEST). At intensities IL > 1022 Wcm-2, the relativistic dynamics of the laser-driven electrons becomes significantly modified by high-energy radiation emission through nonlinear inverse Compton scattering. For IL > 1023 Wcm-2, the emitted-ray photons can, in turn, interact with the laser field and decay into electron-positron pairs via the nonlinear Breit-Wheeler process. These quantum electrodynamic processes, which until recently could only be explored on large-scale particle accelerators, can greatly alter the "standard" mechanisms of laser-plasma interaction, and therefore its overall energy budget. In order to model their intricate interplay with the laser-induced plasma processes, they have been implemented within the particle-in-cell code calder developed at CEA. In a first part, we study these QED processes in the interaction of an ultra-intense laser with a micrometric overdense target. It is found that the laser-to--ray energy conversion efficiency can by far exceed 10% for intensities IL > 1023 Wcm-2, while copious pair production (through pair cascading) kicks in for IL > 1024 Wcm-2. In a second part, we consider positron generation in the collision between a GeV electron bunch issued from a laser-wake eld accelerator and a counterpropagating laser pulse. In a third part, we analyze a prospective scheme of astrophysical interest, consisting in the collision between two dense pair plasmas produced from solid targets irradiated at 1024 Wcm-2 showing a fast-growing magnetic lamentation instability amplified by intense synchrotron emission.; Cette thèse a pour objet l'étude de l'interaction laser-matière dans un régime d'éclairement extrême que visent à atteindre plusieurs installations multi-pétawatt en cours de développement (CILEX-Apollon, ELI, IZEST, etc.). Pour un éclairement supérieur à 1022 Wcm-2, la dynamique relativiste des électrons accélérés dans l'onde laser est modiée par un important rayonnement Compton inverse non-linéaire. Au-delà de 1023 Wcm2, les photons ainsi produits peuvent, en interagissant à leur tour avec le champ laser, se désintégrer en paires électron-positron via le mécanisme de Breit-Wheeler non-linéaire. Ces mécanismes d'électrodynamique quantique, dont l'étude expérimentale était jusqu'ici l'apanage des grands accélérateurs de particles, peuvent grandement affecter les mécanismes usuels d'interaction laser-plasma, notamment ceux régissant l'accélération de particules chargées et, par conséquent, le bilan global de l'interaction. Afin de modéliser ce régime inédit d'interaction, qui combine processus collectifs, relativistes et d'électrodynamique quantique, nous avons enrichi des mécanismes précédents le code de simulation particle-in-cell calder développé de longue date au CEA/DIF. L'influence de ces mécanismes est d'abord explorée dans le cas d'une impulsion laser interagissant avec une cible dense de taille micrométrique. Un rendement de conversion de l'énergie laser en photons supérieur à 10% est observée au-dessus de 1023 Wcm-2, tandis que la production d'anti-matière s'emballe, via un mécanisme de cascade, à partir de 1024 Wcm2. Dans un second temps, nous étudions la génération de positrons lors de la collision frontale entre un faisceau d'électrons ultra-relativistes issu d'un accélérateur plasma et une impulsion laser ultra-intense. Dans une dernière partie, nous considérons un scénario prospectif d'intérêt astrophysique, à savoir la collision de plasmas de paires issus de cibles solides irradiées à 1024 Wcm-2 montrant la croissance rapide d'une instabilité de lamentation magnétique combinée à d'intenses effets radiatifs.

In this work, we present the results obtained by the BMV (Biréfringence Magnétique du Vide) project, whose goal is to measure the linear magnetic birefringence of vacuum. This effect is predicted in the framework of quantum electrodynamics but it has never been observed experimentally. The expected birefringence is as small as 10^{-24}, for an applied magnetic field of 1 T. Thus its measurement is an experimental challenge.First, we describe the experimental setup which allows magnetic birefringences measurements using a polarimetry method. Then, we present the results concerning the measurements of the circular magnetic birefringence (Faraday effect) and the linear magnetic birefringence (Cotton-Mouton effect) of helium and xenon gases. Finally we give a value for the linear magnetic birefringence of vacuum.; Cette thèse présente les résultats obtenus au sein du projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide), dont l’objectif principal est la mesure de la biréfringence magnétique linéaire du vide. Cet effet est prédit dans le cadre de l’électrodynamique quantique mais n’a jamais été observé expérimentalement. La biréfringence attendue est de l’ordre de 10^{-24} pour un champ magnétique appliqué de 1 T. Sa mesure constitue donc un véritable défi expérimental.Dans un premier temps, le dispositif expérimental permettant la mesure de biréfringences magnétiques par polarimétrie est décrit. Puis les résultats concernant les mesures des biréfringences magnétiques circulaire (effet Faraday) et linéaire (effet Cotton-Mouton) de l’hélium et du xénon gazeux sont exposés. Enfin, une valeur de la biréfringence magnétique linéaire du vide est donnée.

This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out, Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique.

Resume Nous considerons un noyau et un electron non relativistes interagissant avec un champ electromagnetique quantifie. Nous ne supposons pas le noyau fixe, mais nous supposons que le systeme est confine par son centre de masse. Ce modele est utilise en physique theorique pour decrire l'effet Lamb–Dicke et l'effet Mossbauer. Nous definissons l'hamiltonien associe au systeme en introduisant une troncature ultraviolette, puis nous prouvons l'existence d'un etat fondamental non degenere. Ce resultat est obtenu sans condition sur les constantes de couplage. Pour citer cet article : L. Amour, J. Faupin, C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I 343 (2006).

In recent years the zoology of tamed quantum systems has witnessed the arrival of a new member. In the field of optomechanical cavities it has been proven that it is possible to lead micro and nano mechanical resonators to their vibrational quantum ground state. This feat is made possible by the ability of optomechanical resonators to optically cool down the brownian motion of the mechanical degrees of freedom.We study the cooling mechanisms in optomechanical cavities subject to unconventional coupling schemes. In particular we discuss how photothermal cooling leads the mechanical resonator to its ground state in regimes of parameters for which the more usual radiation-pressure based cooling is unable to quench effectively enough the thermal brownian motion.On the other hand the maturity of experimental optomechanics has opened the path for the exploration of strong coupling regimes where a single photon is enough to modify the mechanical properties beyond the zero point fluctuations. Following this trend we present as well our predictions for a system combining quantum electrodynamics and quantum optomechanics. We show that by introducing an artificial two level atom inside the optomechanical cavity the cooling and amplification of mechanical motion are greatly modified. We also show how the intrinsic non-linearity of the artificial atom leads to non-classical states of the mechanical resonator., Ces dernières années la zoologie de systèmes quantiques apprivoisés a vu l’entrée d’un nouveau membre. Dans le domaine des cavités optomécaniques on a démontré qu’il est possible d’amener des résonateurs micro et nanométriques vers leur état quantique fondamental. Ce fait est rendu possible par la capacité de ces cavités à refroidir optiquement les fluctuations Browniennes des degrés de liberté mécaniques.Nous étudions des mécanismes non conventionnels de refroidissement optique dans des cavités optomécaniques. En particulier nous discutons comment les forces photothermiques (ou bolométriques) pourraient permettre d’atteindre l’état quantique fondamental d’un résonateur mécanique, et ce dans des régimes de paramètres où le refroidissement usuel par pression de radiation est limité.D’autre part la maturité expérimental des cavités optomécaniques permet aujourd’hui d’explorer des régimes de couplage fort où un seul photon est suffisant pour perturber le résonateur mécanique au delà de ses fluctuations de point zéro. Suivant cette tendance nous présentons nos prédictions théoriques concernant un système qui combine l’électrodynamique quantique de cavité et l’optomécanique quantique. Nous démontrons que l’introduction d’un atome artificiel à deux niveaux dans la cavité optomécanique mène à des régimes de refroidissement et d’amplification inédits. Par ailleurs nous montrons comment la non-linéarité intrinsèque du système à deux niveaux permet d’atteindre des états non-classiques du résonateur mécanique.

The uncertainty of the Quantum Electrodynamics calculations for hydrogen atom is currently limited by the knowledge of the Rydberg constant and the proton charge radius. Those two quantities can be extracted from the comparison between the theoretical predictions and two different frequency measurements on hydrogen.The 1S-2S transition frequency is one measured with the highest resolution with a relative uncertainty of 10-15. The aim of this thesis is to improve the determination of the 1S-3S transition, which can be used as the second precise measurement. The 1S-3S two-photon transition is excited at 205 nm. This UV light beam is generated by frequency mixing in a non-linear crystal. An 894 nm light delivered by a Ti:Sa laser is mixed with a 266 nm light beam generated by a quadrupled Nd:YVO4 laser. A reliable 15 mW continuous radiation at 205 nm is then produced. The frequencies of both lasers are measured simultaneously using an optical frequency comb referenced to a cesium clock. To evaluate the second-order Doppler effect, the velocity distribution of the atomic beam is determined thanks to a motional Stark effect. This effect is realized with a static magnetic field which induces a velocity-dependent quadratic frequency shift. Finally, the frequency of the 1S-3S transition is determined with a relative uncertainty of 10-12 which is accurate enough to contribute to the “proton size puzzle”. However, depending on the velocity distribution used in the analysis, the obtained value agrees or not with the present recommended CODATA value., La précision des calculs théoriques d'électrodynamique quantique dans l'atome d'hydrogène est actuellement limitée par la constante de Rydberg et la distribution de charge du proton. La comparaison entre ces calculs et les mesures expérimentales de deux fréquences de transition dans l'hydrogène permet d'extraire ces deux constantes. La mesure de la transition 1S-2S est la plus précise à ce jour avec une incertitude relative de 10-15. L'objectif de mon travail de recherche est d'améliorer la précision de mesure de la fréquence de la transition 1S-3S, pouvant être utilisée comme la deuxième mesure nécessaire.La transition 1S-3S est sondée par une excitation à deux photons à 205 nm, permettant de s'affranchir de l'effet Doppler du 1er ordre. Ce faisceau UV est produit par somme de fréquence dans un cristal non linéaire. L'onde lumineuse délivrée par un laser Titane-saphir à 894 nm est sommée avec un faisceau à 266 nm produit par doublage d'un laser Nd-YO4. Cette somme de fréquence délivre un faisceau continu à 205 nm d'une puissance de 15 mWLa distribution de vitesse du jet atomique, dont la connaissance est indispensable pour évaluer l'effet Doppler du 2ème ordre, est déterminée grâce à l'effet Stark motionnel où l'action d'un champ magnétique produit un décalage en fréquence quadratique en vitesse.Les fréquences des deux lasers sources sont mesurées à l'aide un peigne de fréquence optique.La fréquence de la transition 1S-3S est finalement déterminée avec une incertitude relative de 10-12. Sa valeur conduit à une valeur préliminaire du rayon du proton qui serait en contradiction avec celle préconisée par le CODATA.

In this work, we present a metrology experiment whose goal is to measure the vacuum magnetic birefringence. It consists in measuring the ellipticity induced by a pulsed transverse magnetic field on a laser beam initially linearly polarized. This ellipticity is proportional to the square of the magnetic field, to the length of the optical path in the medium, and to its magnetic birefringence. In particular, quantum electrodynamics theory predicts a value for the birefringence of the vacuum that is extremely small; its measurement is thus an experimental challenge. This thesis presents the detailed characterization of the high precision ellipsometer. It combines a very high finesse Fabry-Perot cavity, on which is locked a Nd:YAG laser, with pulsed magnets delivering strong transverse magnetic field. We then show the results of our measurements of nitrogen Cotton-Mouton effect. These measurements allow us to precisely calibrate our experimental setup. A detailed error budget is given, and the the entirety of the systematic effects is identified. In the end we give the results of the first magnetic field pulses that have been carried out in vacuum, as well as the sensitivity of the experimental setup, and the improvements that have to be brought on it. We finally present a further work to this experiment, making an excursion beyond the Standard Model. We study the possibility of oscillations of photons into massive particles called axions. We particularly give the results of the "light shinning through the wall experiment" using X-rays and carried out at the ESRF of Grenoble.; Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

In this work, we present a metrology experiment whose goal is to measure the vacuum magnetic birefringence. It consists in measuring the ellipticity induced by a pulsed transverse magnetic field on a laser beam initially linearly polarized. This ellipticity is proportional to the square of the magnetic field, to the length of the optical path in the medium, and to its magnetic birefringence. In particular, quantum electrodynamics theory predicts a value for the birefringence of the vacuum that is extremely small; its measurement is thus an experimental challenge. This thesis presents the detailed characterization of the high precision ellipsometer. It combines a very high finesse Fabry-Perot cavity, on which is locked a Nd:YAG laser, with pulsed magnets delivering strong transverse magnetic field. We then show the results of our measurements of nitrogen Cotton-Mouton effect. These measurements allow us to precisely calibrate our experimental setup. A detailed error budget is given, and the the entirety of the systematic effects is identified. In the end we give the results of the first magnetic field pulses that have been carried out in vacuum, as well as the sensitivity of the experimental setup, and the improvements that have to be brought on it. We finally present a further work to this experiment, making an excursion beyond the Standard Model. We study the possibility of oscillations of photons into massive particles called axions. We particularly give the results of the "light shinning through the wall experiment" using X-rays and carried out at the ESRF of Grenoble.; Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.; Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).

Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.; Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).

We have presented a non-relativistic quantum electrodynamic theory for the total of an harmonic oscillator, subject to external classical fields, and coupled to the electromagnetic quantum vacuum. The most important conclusions of this work are that Casimir momentum exists and that its UV divergences are renormalized. The theory shows it to be basically a non-relativistic quantity, but that relativistic corrections are likely to be significant, much like in the Lamb shift problem. Using reasonable experimental values, we estimate a classical contribution to the momentum of approximately 5 micrometer per second and a quantum correction of 0.1 micrometer per second. To our knowledge nor the classical contribution to magneto-electric momentum, neither the QED correction have ever been observed. We studied the case of an hydrogen atom in movement. Here the bi-anisotropy is due to the Fizeau effect and is characterize by the velocity. Thus we expect a correction proportional to the velocity, ie a mass correction. We find indeed that this is in total agreement with the mass energy equivalence principle, for temperature zero or non zero. We show the way to find the same result in the case of the Casimir energy of two atoms. We calculate then the Casimir energy of a dilute dielectric ball associated with the Van der Waals forces. We made a numerical model to compute the total energy of the ball in function of his radius. We determined the latent heat and surface tension parts. We found then a linear term that do not show up in a continuous and renormalized description of the matter, due to the neglect of short distance interactions.; Le point principal de cette étude est l'existence du moment cinétique de Casimir d'un point de vue microscopique, montrée à l'aide d'un modèle comprenant un oscillateur harmonique soumis à des champs électrique et magnétique externes, croisés, homogènes de façon à obtenir les propriétés d'un milieu bi-anisotrope, en interaction avec les fluctuations quantiques du vide. Nous avons donné un ordre de grandeur de la vitesse de l'oscillateur attendue pour des conditions expérimentales raisonnables. Nous trouvons une contribution classique due aux champs externes de l'ordre de 0,1 micromètre par seconde et une contribution quantique attribuée aux fluctuations du vide de l'ordre de 2 nanomètre par seconde. Dans le cas d'un atome d'hydrogène en mouvement, où la bi-anisotropie est due à l'effet Fizeau, nous trouvons que l'effet du couplage avec le vide donne une correction de masse en accord avec le principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, à température nulle ou non-nulle. Dans le cas de deux atomes en mouvement dans le vide, nous donnons la marche à suivre dans le but de montrer que l'énergie de Casimir entre les deux atomes, c'est-à-dire liée aux forces de Van der Waals, participe de la même façon à la masse inertielle de l'ensemble. Cette approche confirme que le moment de Casimir n'est pas exclu voire même réclamé par les principes de la relativité restreinte. Nous nous sommes intéressés au cas de l'énergie Casimir d'une boule diélectrique diluée. Un calcul numérique de l'énergie associée aux forces de Van der Waals, dont l'équivalence avec l'énergie de Casimir a été montrée par ailleurs, nous a permis de déterminer l'énergie totale de la boule en fonction de son rayon. Nous déterminons les termes associés à la chaleur latente et à la tension de surface. Nous trouvons ensuite un terme variant de façon linéaire avec le rayon, en désaccord avec les méthodes de renormalisation utilisées avec une description continue. Ce désaccord est expliqué par la description continue de la matière où les interactions à courte distance sont surévaluées et conduisent à des termes divergents non considérés par la renormalisation.

Cours : Le contrôle des particules quantiques isolées Les activités de la chaire pendant l’année 2012-2013 ont été marquées par l’annonce en octobre 2012 du prix Nobel de physique attribué à son titulaire, conjointement avec David Wineland, pour leurs recherches indépendantes sur la manipulation et le contrôle de particules quantiques isolées. Le cours initialement prévu devait porter sur la physique quantique et la mesure du temps. Son sujet a dû être modifié en raison des circonstances part...

This thesis presents a series of circuit QED (cQED) experiments, in which artificial atoms consisting of superconducting circuits are strongly coupled to the electromagnetic field stored in a microwave resonator. This resonator can be used as a measurement apparatus for the atom, allowing both to address fundamental issues in quantum mechanics, and to develop building blocks for a quantum processor. In a first experiment we continuously monitored the evolution of a quantum system while varying the measurement strength. We observed the crossover from weak to strong measurement regimes, and, ultimately, the freezing of the dynamics by the Quantum Zeno Effect. In the weak measurement regime, we probed if the artificial atom complies with the macroscopic realism hypotheses, from which Leggett and Garg have derived a Bell's inequality in time. The violation of this inequality confirms that although macroscopic, the artificial atom is a truly quantum object. On the quantum information side, we have enriched the proposed cQED quantum processor architecture by demonstrating a high fidelity single-shot qubit readout, a crucial element for quantum processors. This new circuit relies on a dynamical transition of a non-linear resonator. The coupled system formed by the qubit and the non-linear resonator allows in addition to investigate the interplay between strong coupling and non-linear effects --parametric amplification, squeezing...-- opening the new field of non-linear cQED. Finally we have operated a circuit which would potentially be able to mediate operations between two arbitrary qubits: a superconducting resonator which is tunable in frequency., Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.

The ultimate active constituents of the living medium, membranes, ions and molecules, are at the level of the nanometer. Their interactions thus require a quantum processing. The characteristic Action A, linked to the "quantum objects" : ions, radicals, water molecule... of the living medium, has an average value of A ~= 14.10-34 J.s or A ~= 2 h . It is thus strictly impossible to formulate a realistic "classical " theory of membrane electrodynamics. The transfer of the sodium ion - among others - could be then ensured under the action of a Tunnel effect, (with Hartman?s mechanism) specific to the channel and the ion transferred., Comment: 7 pages

La these de doctorat intitulee ``Mesure de la diffusion Compton a haute virtualite a HERA II' a ete realisee au sein du service de physique des particules elementaires de l'ULB sous la direction de mon promoteur Laurent Favart et porte sur l'analyse des donnees enregistrees par l'experience H1 situee aupres du collisionneur electron-proton HERA du laboratoire DESY a Hambourg. L'analyse presentee concerne l'etude d'un processus diffractif exclusif particulier, le processus de diffusion Compton a haute virtualite ou DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering), e p -> e p gamma, qui correspond a la diffusion gamma* p -> gamma p$ d'un photon hautement virtuel par le proton, dans le domaine cinematique 6.5 < Q^2 < 80 GeV2, 30 < W < 140 GeV et |t| < 1 GeV2, Q^2 designant la virtualite du photon echange, W l'energie dans le referentiel du centre de masse du systeme gamma* p et t le carre du transfert de quadri-impulsion au vertex du proton. Les donnees utilisees ont ete enregistrees au cours des annees 2004 et 2005 et correspondent a une luminosite integree de 134.8 pb-1. L'etude du processus DVCS dans le domaine cinematique envisage permet de tester avec precision les predictions que fournit la chromodynamique quantique perturbative (pQCD) pour la description de l'echange diffractif et de contraindre la parametrisation des distributions partoniques generalisees (GPD) qui interviennent dans l'expression de la section efficace du processus DVCS. Les mesures presentent la section efficace du processus DVCS elastique au niveau e p -> e p gamma de maniere simplement differentielle en Q^2, W et t et de maniere doublement differentielle en Q^2 - W, Q^2 - t et W - t. Les expressions de la section efficace reduite au niveau gamma* p -> gamma p sont ensuite extraites en fonction des variables Q^2, W et t pour l'ensemble des donnees, en fonction de W en differentes valeurs de la virtualite Q^2 et en fonction de t en differentes valeurs de Q^2 et de W. On presente egalement la mesure des differents parametres n, delta et b caracterisant le comportement de la section efficace reduite du processus DVCS elastique vis-a-vis des invariants Q^2, W et t. Les mesures de la section efficace reduite du processus DVCS elastique en fonction des variables Q^2 et W sont finalement comparees aux predictions de la QCD perturbative a l'ordre sous-dominant basees sur le formalisme des GPD. Un tres bon accord est observe entre les resultats obtenus et les predictions theoriques, tant au niveau des dependances cinematiques qu'au niveau de la normalisation de la section efficace. La comparaison entre les mesures et les predictions theoriques permet de contraindre la parametrisation utilisee pour les distributions partoniques generalisees a l'echelle initiale Q^2_0 et de conclure a l'absence de correlation d'impulsion intrinseque entre les partons participant a l'interaction dure., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/published

This thesis is devoted to the study of three nonlinear models from quantum mechanics. In the first part, we prove the existence of a minimizer and of approximate excited states for the multiconfiguration methods, which aim at describing electrons in molecules. These so-defined critical points can be computed numerically by a totally new algorithm. Numerical results are provided for the first excited state of two-electron systems. In the second part, we study a mountain pass lemma modelling adiabatic reactions in the Schrödinger time-independent framework. We prove the existence of a mountain pass point, assuming that the molecules at infinity are charged or polarized. Our last part is devoted to the study of the polarization of the vacuum with the Bogoliubov-Dirac-Fock model, a relativistic mean-field theory deduced from quantum electrodynamics. Our energy is bounded from below and has a minimizer which can be interpreted as the polarized vacuum.; Cette thèse est consacrée à l'étude de trois modèles non linéaires issus de la mécanique quantique. Dans la première partie, nous démontrons l'existence d'un minimum et d'états excités approchés pour les modèles multi-configurations décrivant la structure électronique des molécules. Ces points critiques peuvent être calculés grâce à un nouvel algorithme. Des résultats numériques sont présentés pour le premier état excité de systèmes à deux électrons. Dans la seconde partie, nous étudions un lemme du col modélisant des réactions chimiques avec le modèle de Schrödinger indépendant du temps. Nous prouvons l'existence d'un point selle, sous l'hypothèse que les molécules à l'infini sont chargées ou polarisées. La dernière partie est consacrée à l'étude de la polarisation du vide grâce au modèle Bogoliubov-Dirac-Fock, une théorie relativiste de champ moyen issue de l'électrodynamique quantique. Nous montrons que l'énergie étudiée possède un minimum qui est le vide polarisé.

This thesis is devoted to the study of three nonlinear models from quantum mechanics. In the first part, we prove the existence of a minimizer and of approximate excited states for the multiconfiguration methods, which aim at describing electrons in molecules. These so-defined critical points can be computed numerically by a totally new algorithm. Numerical results are provided for the first excited state of two-electron systems. In the second part, we study a mountain pass lemma modelling adiabatic reactions in the Schrödinger time-independent framework. We prove the existence of a mountain pass point, assuming that the molecules at infinity are charged or polarized. Our last part is devoted to the study of the polarization of the vacuum with the Bogoliubov-Dirac-Fock model, a relativistic mean-field theory deduced from quantum electrodynamics. Our energy is bounded from below and has a minimizer which can be interpreted as the polarized vacuum.; Cette thèse est consacrée à l'étude de trois modèles non linéaires issus de la mécanique quantique. Dans la première partie, nous démontrons l'existence d'un minimum et d'états excités approchés pour les modèles multi-configurations décrivant la structure électronique des molécules. Ces points critiques peuvent être calculés grâce à un nouvel algorithme. Des résultats numériques sont présentés pour le premier état excité de systèmes à deux électrons. Dans la seconde partie, nous étudions un lemme du col modélisant des réactions chimiques avec le modèle de Schrödinger indépendant du temps. Nous prouvons l'existence d'un point selle, sous l'hypothèse que les molécules à l'infini sont chargées ou polarisées. La dernière partie est consacrée à l'étude de la polarisation du vide grâce au modèle Bogoliubov-Dirac-Fock, une théorie relativiste de champ moyen issue de l'électrodynamique quantique. Nous montrons que l'énergie étudiée possède un minimum qui est le vide polarisé.

Le développement des nanosciences et nanotechnologies entraîne des mutations conceptuelles qui intègrent les apports de la physique quantique. Ce tournant technologique aux enjeux multiples aura un impact incontestable sur notre environnement et notre mode de vie. Ce dossier de synthèse aborde les principaux aspects de deux domaines importants en matière de nanosciences : la Nano-optique et la Nanoélectronique.La nano-optique traite de l’interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière nanostructurée à une échelle inférieure à la longueur d’onde d’irradiation (dimension sub-longueur d’onde). Les objectifs principaux de cette discipline portent sur l’étude des phénomènes liés à cette interaction, notamment le confinement optique dans la région du champ proche. Ce dossier met l’accent sur l’étude des effets d’électrodynamique quantique en cavité comme la modification de l’émission spontanée basée sur l’effet Purcell en régime de couplage faible, le couplage fort exciton-photon, les sources de photons uniques ou de photons jumeaux pour l’information quantique et les lasers à faible seuil, voire sans seuil. Sont également présentées les applications résultant des effets optiques en champ proche et qui ont conduit au développement de techniques comme les microscopies optiques en champ proche, la spectrométrie et la détection de molécules uniques.La nanoélectronique découle de la quête permanente de miniaturisation de la microélectronique, visant à améliorer les performances des dispositifs tout en diminuant leur coût de fabrication. Cette démarche s’est heurtée à des limites physiques et technologiques dès lors que les dimensions sont devenues inférieures à quelques dixièmes de micromètres. Elle a donc induit une mutation visant à reconsidérer les bases physiques du fonctionnement des composants électroniques et de leur assemblage pour former des circuits complexes.Ce dossier aborde les deux approches complémentaires utilisées : la voie descendante, ou "top-down", qui consiste à miniaturiser les dispositifs jusqu'à atteindre l'échelle nanométrique, et la voie ascendante, ou "bottom-up", qui vise à concevoir des nanosystèmes en assemblant des éléments de base de la matière : atomes, groupes d'atomes ou molécules. Il considère également les matériaux utilisés, conventionnels ou formés de nano-objets, ainsi que les composants et circuits élaborés, CMOS ultimes, dispositifs à un seul électron, et aborde également les dispositifs d’électronique de spin ou moléculaire.

This thesis is devoted to the study of very high Q whispering gallery modes in silica microspheres, about 100μm in diameter. For these resonances the electromagnetic field propagates along an equatorial surface ring with tranverse dimensions of the order of the wavelength. These guided modes have very low losses. They exhibit a remarkable combination of strong localization of the field in a small volume and very long storage times for the photons. These two properties render these microspheres ideal as optical resonators for practical applications as well as for cavity QED experiments. This manuscript starts with a general presentation of these resonances. The experimental techniques used to observe the resonances by laser spectroscopy are then discussed, and several projects in applied and fundamental physics are analysed. Furthermore, using these modes to phase-lock a diode laser or to make new microlasers are particulary attractive. An experiment where an atomic beam is deflected by passing through the evanescent field of a whispering gallery mode is also discussed. Such an experiment would allow to demonstrate the quantized nature of a few-photon-field and to measure, by a dispersive mechanism, optical fields created by a small number of photons., Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optiques

The uncertainty of the Quantum Electrodynamics calculations for hydrogen atom is currently limited by the knowledge of the Rydberg constant and the proton charge radius. Those two quantities can be extracted from the comparison between the theoretical predictions and two different frequency measurements on hydrogen.The 1S-2S transition frequency is one measured with the highest resolution with a relative uncertainty of 10-15. The aim of this thesis is to improve the determination of the 1S-3S transition, which can be used as the second precise measurement. The 1S-3S two-photon transition is excited at 205 nm. This UV light beam is generated by frequency mixing in a non-linear crystal. An 894 nm light delivered by a Ti:Sa laser is mixed with a 266 nm light beam generated by a quadrupled Nd:YVO4 laser. A reliable 15 mW continuous radiation at 205 nm is then produced. The frequencies of both lasers are measured simultaneously using an optical frequency comb referenced to a cesium clock. To evaluate the second-order Doppler effect, the velocity distribution of the atomic beam is determined thanks to a motional Stark effect. This effect is realized with a static magnetic field which induces a velocity-dependent quadratic frequency shift. Finally, the frequency of the 1S-3S transition is determined with a relative uncertainty of 10-12 which is accurate enough to contribute to the “proton size puzzle”. However, depending on the velocity distribution used in the analysis, the obtained value agrees or not with the present recommended CODATA value.; La précision des calculs théoriques d'électrodynamique quantique dans l'atome d'hydrogène est actuellement limitée par la constante de Rydberg et la distribution de charge du proton. La comparaison entre ces calculs et les mesures expérimentales de deux fréquences de transition dans l'hydrogène permet d'extraire ces deux constantes. La mesure de la transition 1S-2S est la plus précise à ce jour avec une incertitude relative de 10-15. L'objectif de mon travail de recherche est d'améliorer la précision de mesure de la fréquence de la transition 1S-3S, pouvant être utilisée comme la deuxième mesure nécessaire.La transition 1S-3S est sondée par une excitation à deux photons à 205 nm, permettant de s'affranchir de l'effet Doppler du 1er ordre. Ce faisceau UV est produit par somme de fréquence dans un cristal non linéaire. L'onde lumineuse délivrée par un laser Titane-saphir à 894 nm est sommée avec un faisceau à 266 nm produit par doublage d'un laser Nd-YO4. Cette somme de fréquence délivre un faisceau continu à 205 nm d'une puissance de 15 mWLa distribution de vitesse du jet atomique, dont la connaissance est indispensable pour évaluer l'effet Doppler du 2ème ordre, est déterminée grâce à l'effet Stark motionnel où l'action d'un champ magnétique produit un décalage en fréquence quadratique en vitesse.Les fréquences des deux lasers sources sont mesurées à l'aide un peigne de fréquence optique.La fréquence de la transition 1S-3S est finalement déterminée avec une incertitude relative de 10-12. Sa valeur conduit à une valeur préliminaire du rayon du proton qui serait en contradiction avec celle préconisée par le CODATA.