Rozprawy doktorskie na temat „Optique relativiste”

Cette thèse expérimentale s’est essentiellement déroulée au Laboratoire d’Optique Appliquée à Palaiseau (France), sur un système laser capable de générer des impulsions proches du cycle optique en durée avec des énergies de plusieurs mJ à une cadence de 1 kHz : la Salle Noire 2. Ce système laser Titane:Sapphire est double CPA avec un filtre non-linéaire entre les deux étages (basé sur la génération d’onde de polarisation croisée ou ‘XPW’) pour améliorer le contraste temporel, suivi d’un étage de post-compression dans une fibre flexible étirée à cœur creux. Grâce à ce système, nous étudions l’interaction laser-matière en régime relativiste à haute cadence. Nous parvenons, d’une part, dans des jets de gaz, à accélérer des électrons dans le sillage du laser jusqu’ à une énergie de quelques MeV; et d’autre part, par interaction avec des miroirs plasma, à générer des harmoniques d’ordres élevés qui sont associées dans le domaine temporel à des impulsions attosecondes. Malgré la prouesse technique de ces expériences, les propriétés des faisceaux XUV et d’électrons ainsi générés restent encore peu compatibles avec des applications phares en aval. À la suite de travaux précédents en Salle Noire 2, l’objectif de cette thèse était d’obtenir des faisceaux aux propriétés stables, ce qui a été accompli en rendant le système laser plus stable et fiable, ainsi qu’en implémentant une boucle de contrôle rapide de la phase enveloppe-porteuse des impulsions laser. En variant la phase enveloppe-porteuse, nous avons ainsi pu générer des impulsions attosecondes uniques en formant une porte temporelle d’intensité relativiste à la surface du miroir plasma, et aussi produire des faisceaux d’électrons stables en énergie et en direction, en contrôlant l’injection d’ électrons dans l’accélérateur laser-plasma. De plus, différents régime d’interaction avec les miroirs plasma ont été étudiés expérimentalement, tels que l’accélération d’électrons dans les longs gr adients de densité plasma, et l’accélération de protons en face avant de la cible (la face sur laquelle le laser est incident) le long de la direction normale à la cible, afin de mesurer de nouvelles observables (spectre d’énergie des électrons, divergence des faisceaux de protons) et ainsi mieux comprendre la dynamique d’interaction laser-plasma
This experimental thesis was essentially conducted at Laboratoire d’Optique Appliquée in Palaiseau (France), on a laser system capable of delivering near-single-cycle duration pulses containing a few mJ of energy at 1kHz repetition rate: the Salle Noire 2. This laser is a Titanium:Sapphire double CPA system with a nonlinear filter in between (based on the crossed polarized wave generation effect) for temporal contrast enhancement, followed by a stretched-flexible hollow-core-fiber based post-compression stage. Using this system, we study laser-matter interaction in the relativistic regime at high repetition rate. We can, on one hand, in gas jets, accelerate electrons in the wakefield of the laser up to several MeVs; and on the other hand, by interacting with plasma mirrors, generate high order harmonics which are associated to bright attosecond pulses in the time domain. Despite the technological prowess in these experiments, the properties of the XUV and electron beams thus generated remain scarcely compatible with the main applications downstream. Following up on previous works in Salle Noire 2, the objective of this thesis was to obtain beams with stable properties, which was achieved by making the laser system more stable and reliable, as well as implementing a fast carrier-envelope phase control loop. By varying the carrier-envelope phase of the laser pulses, we could generate XUV continua/isolated attosecond pulses by forming a relativistic-intensity temporal gate at the surface of the plasma mirror, and also produce electron beams exhibiting stable energy and angle of emission, by controlling the electron injection within the plasma accelerator. Additionally, different regimes of interaction with plasma mirrors were experimentally investigated, such as wakefield acceleration of electrons in long plasma density gradients, and the acceleration of protons on the target’s front side (onto which the laser impinges) along the target no rmal direction, in order to measure new observables (electron energy spectra, proton beam divergence) and thus gain deeper insights into the laser-plasma dynamics

L'interaction laser-plasma à très haute intensité (I " 1015 W/cm2) avec des impulsions ultra-courtes ( t " 100 fs) est un domaine en plein essor car il offre l'opportunité d'étudier des phénomènes physiques toujours plus brefs, regroupés sous l'appellation " science attoseconde ". L'interaction laser-plasma promet aussi l'avènement de nouvelles sources pour la génération de faisceaux de particules et de rayonnement X très énergétiques. Notre démarche se concentre sur la génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma à partir d'impulsions de quelques cycles optiques ( 5 fs à 800 nm), à haut taux de répétition (1 kHz) et avec un contrôle fin des paramètres laser. La génération et le contrôle temporel et spatial de l'émission d'harmoniques d'ordres élevés dans le régime non-relativiste ont récemment été démontrés par le groupe. L'objectif suivant est d'atteindre le régime relativiste, qui nécessite une intensité sur cible plus élevée. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans la logique d'améliorer les performances de la chaine existante en termes d'énergie et de contraste temporel, tout en préservant les autres paramètres clés. Pour répondre à ces défis, l'objectif a été de mettre au point une architecture laser basée sur l'amplification à dérive de fréquence (CPA) délivrant des impulsions de 5 mJ, 5 fs à 1 kHz, avec un contraste temporel C = 1011 et une phase absolue (CEP) stabilisée à 200 mrad rms. La problématique de l'amélioration du contraste par la technique de génération de polarisation croisée (XPW) occupe une place centrale dans ce mémoire. Une étude extensive du mécanisme XPW a été menée. Elle a permis de confronter résultats expérimentaux et développements théoriques dans les régimes dits " extrêmes " tels que la génération à très haut rendement et le filtrage d'impulsions de quelques cycles optiques. En outre, un nouveau schéma de filtrage adaptable sur une large gamme d'énergie (de 100 μJ à 10 mJ) et efficace (20%) a été réalisé. La compression des impulsions d'un facteur supérieur à deux avec ce schéma a également été démontrée. La nouvelle chaine laser inclut un tel filtre dans une configuration en double CPA dont les performances finales visées sont les suivantes : 10 mJ, 20 fs, C = 1011 et CEP = 200 mrad rms. Le schéma d'étirement/compression a fait l'objet d'une étude détaillée pour permettre un étirement élevé (50 ps) tout en restant compact pour préserver la stabilité CEP. La configuration adoptée consiste en un étireur verre, un filtre acousto-optique dispersif programmable et un compresseur "grismes". Le mémoire présente enfin les perspectives de post-compression dans une fibre creuse remplie d'un gaz rare pour obtenir des impulsions de 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms à 1 kHz.

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

Ce travaille de maîtrise comporte deux sujets distincts. Le premier porte sur une nouvelle solution au paradoxe des jumeaux d’Einstein. Plusieurs personnes ont tenté de trouver des solutions à ce paradoxe mais sans grand succès. Dans ce mémoire nous vous présenterons une nouvelle solution basée sur l’approche diachronique développé par Mr Michel Duguay dans son document intitulé Diachronie représentation of spacetime applied to problems in spécial relativity and in quantum optics. Tout d’abords nous ferons un rappel de ce qu’est la relativité restreinte, ensuite nous présenterons l’origine du paradoxe des jumeaux et quelques solutions proposées par d’éminents physiciens. Enfin il serait question des notions diachroniques et de la méthodologie à suivre afin de bien résoudre ce paradoxe. Au niveau pédagogique, nous présenterons des animations en flash et java qui permettront de mieux assimiler ces notions diachroniques. Le second sujet porte sur l’intégration à des circuits de lasers semiconducteurs, des amplificateurs optiques à base de semiconducteur. Le circuit de laser semiconducteur utilisé dans ce mémoire n’est autre qu’un guide d’onde effilé précédemment étudié par Mr Baribeau dans le cadre de la compensation de la dispersion chromatique. Nous utiliserons le même principe de base qui est la conversion adiabatique de mode dans un guide d’onde plan comprenant une paroi d’épaisseur variable pour pouvoir amplifier notre signal à l’aide de puit quantique. En premier lieu nous ferons des calculs et simulations nous permettant d’analyser la propagation d’un signal à l’intérieur d’un guide ensuite nous étudierons l’influence de l’intégration de puit quantique à ce guide d’onde.
Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Ce travail de thèse s'intéresse aux corrections relativistes induites par une impulsion lumineuse ultra-brève et intense dans la matière condensée. Il s'inscrit dans la thématique nouvelle de la désaimantation ultra-rapide cohérente de systèmes ferromagnétiques induite par une impulsion laser femto-seconde [Nature 5, 515 (2009)] [1]. Un couplage de nature relativiste entre les spins et les photons a été proposé pour expliquer les résultats expérimentaux observés dans [1]. La première partie de ce travail étudie la limite non relativiste du formalisme de Dirac en présence d'un champ électromagnétique dépendant du temps. En utilisant la transformation de Foldy-Wouthuysen , le hamiltonien électronique de Dirac en présence d'un champ électromagnétique dépendant du temps est développé au cinquième ordre en 1/m. Les résultats obtenus ont permis de postuler une expression générale de l'interaction directe entre le spin et le champ électromagnétique sous la forme d'un développement en série entière. Un travail similaire est réalisé dans le cadre du problème relativiste à deux électrons en interaction coulombienne. La diagonalisation du hamiltonien de Breit au troisième ordre en 1/m fait apparaître une interaction singulière entre le spin, le champ coulombien et le champ électromagnétique externe dépendant du temps. Dans la deuxième partie, on propose un modèle classique pour modéliser une expérience de magnéto-optique non-linéaire réalisée sur des échantillons ferromagnétiques. Les prédictions théoriques des angles de rotation Faraday sont comparées aux résultats expérimentaux de la référence [1] et permettent d'ouvrir une discussion à propos des mécanismes physiques gouvernant les phénomènes magnéto-optiques observés. Le rôle joué par l'interaction spin-orbite entre les spins et le champ électrique du laser est discuté.

Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma
To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration

Le travail expérimental présenté dans ce manuscrit a été réalisé au Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, Palaiseau, France) sur un système laser compact multi-mJ kHz, capable de délivrer des impulsions quasi-mono-cycle à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. Le premier volet expérimental a consisté à améliorer les performances de la source laser grâce à l’intégration d'un étage d’amplification multi-passage cryogéné dans la chaîne destiné à augmenter l'énergie d'impulsion disponible, à améliorer la stabilité de la CEP, ainsi qu’à fiabiliser les performances quotidiennes du laser. En parallèle, une nouvelle technique a été testée, basée sur la propagation nonlinéaire dans une cellule multi-passage (MPC), afin de post-comprimer temporellement et d’améliorer le contraste temporel des impulsions laser. Dans l’avenir, une fois mis à l’échelle et intégré dans la chaîne laser, ce dispositif innovant de mise en forme temporelle d’impulsions laser, augmenter encore plus l’éclairement atteignable pour les expériences.Le deuxième volet expérimental est axé sur l'utilisation de la chaîne laser afin de piloter des miroirs plasma relativistes et de générer du rayonnement attoseconde (1 as = 10-18 s) dans le domaine spectral de l’ultraviolet extrême, ainsi que des faisceaux d’électrons et d’ions fortement énergétiques. Nous avons pu produire des faisceaux d'électrons relativistes par injection localisée d’électrons du plasma dans le champ laser réfléchi de manière nonlinéaire par le miroir plasma. En outre, nous avons pu générer des faisceaux quasi-collimatés de protons avec des énergies proches du MeV dans le cadre d’une expérience pompe-sonde contrôlée. En stabilisant la forme d'onde des impulsions laser, nous avons pu restreindre temporellement le processus de génération d’harmoniques en-dessous du cycle laser et ainsi produire des impulsions attoseconde uniques. Nous avons réalisé une étude paramétrique complète afin d'optimiser les propriétés spatio-temporelles des impulsions attosecondes XUV ainsi émises, jetant ainsi les bases de leur refocalisation pour les applications
The experimental work presented in this manuscript was carried out at Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA, Palaiseau, France) on a compact kHz multi-mJ energy laser system capable of delivering waveform-controlled near-single-cycle pulses. The first part of this work is focused on improving the performance of this laser source by integrating a cryogenically-cooled multi-pass amplifier in the laser chain in order to increase the output energy, enhance the laser waveform stability, making the laser source more stable and reliable, and with more overall reproducible day-to-day performance. Furthermore, we explore laser post-compression and temporal contrast enhancement in a multipass cell. In the future, this post-compression scheme when power-scaled and integrated into the laser chain will further enhance the focused pulse intensity for experiments.The second part of this work focuses on using the laser system to drive relativistic plasma mirrors on the surface of initially-solid targets to generate highly energetic particle beams (ions and electrons) and harmonic radiation in the extreme ultraviolet region, corresponding to attosecond pulses (1 as = 10-18 s) in the time domain. We could produce relativistic electron beams by localized injection of electrons into the nonlinearly reflected laser field by the plasma mirror. Additionally, we could generate nearly-collimated MeV-class proton beams in a controlled pump-probe experiment. By stabilizing the waveform of the driving laser pulses, we could temporally gate the interaction process on the target surface and produce isolated attosecond pulses. We performed a comprehensive parameter study to fully characterize and optimize the spatio-spectral properties of the emitted XUV attosecond pulses, laying the groundwork for their refocusing for applications

Dans le problème de commande considérée, le système dynamique est un point matériel issu d'une source donnée dans l'espace-temps physique ; le vecteur tangent à la trajectoire du point matériel, aux points où il existe, doit appartenir à chaque instant au cône de lumière introduit par la théorie de la relativité au point correspondant de l'espace-temps ; l'ensemble des contraintes sur la commande dépend ainsi à chaque instant de l'état du système, et il est défini par un champ de cônes. L'ensemble accessible associé à une source ponctuelle admet pour frontière une hypersurface semi-perméable, tangente en chacun de ces points au cône correspondant du champ donné. L'étude est centrée sur les trajets de l'optique géométrique, caractérisés par le fait que chacun d'eux est contenu dans une hypersurface semi-perméable. On utilise la théorie de la commandabilité en boucle fermée pour aborder l'optique géométrique en relativité. Propriétés des rayons lumineux dans l'espace; problèmes de réfraction, liés à l'influence du milieu matériel et à la présence de gravitation; transformation d'un indice optique de réfraction dans un changement de coordonnées

The symplectic formalism applied to the phase-space representation of bosonic quantum systems provides us with a powerful mathematical tool for the characterisation of Gaussian states and transformations. As a consequence, quantum information protocols involving the latter are very well understood from a theoretical point of view. Nevertheless, it has become clear in recent years that the use of non-Gaussian resources is necessary in order to perform various crucial information-processing tasks. An illustration of this fact can for instance be found in situations where a Gaussian no-go theorem precludes the use of Gaussian transformations in order to achieve a task involving Gaussian states, such as quantum entanglement distillation, quantum error correction, or universal quantum computation. In the first part of this thesis, we develop a new method based on the generating function of a sequence, which gives rise to an elegant description of intrinsically non-Gaussian objects. Building on the generating function of the matrix elements of Gaussian unitaries in Fock basis, our approach gives access to the multi-photon transition probabilities via unexpectedly simple recurrence equations. The method is developed for Gaussian unitaries effecting both passive and active linear coupling between two bosonic modes. It predicts an interferometric suppression term which generalises the Hong-Ou-Mandel effect for more than two indistinguishable photons impinging on a balanced beam splitter. Furthermore, it exhibits an unsuspected 2-photon suppression effect in optical parametric amplification of gain 2, which originates from the indistinguishability between the input and output photon pairs. Finally, we extend our method to Bogoliubov transformations acting on an arbitrary number of modes. In the second part of this thesis, we introduce a class of Gaussian-dilatable bosonic quantum channels (characterised by a Gaussian unitary in their Stinespring dilation) called passive-environment channels. These channels are interesting from a quantum thermodynamical viewpoint because they correspond to the coupling of a bosonic system with a bosonic environment that is passive in the Fock-basis (that is, no energy can be extracted from it by using unitary transformations) followed by discarding the environment. Making use of the generating function, we provide a description of these channels in terms of Gaussian bosonic channels. We then introduce a new preorder relation called Fock-majorization, which coincides with regular majorization for passive states but also induces another relation in terms of mean boson number, thereby connecting the concepts of energy and disorder of a quantum state. We prove various properties of Fock-majorization, showing in particular that the latter can be interpreted as a relation indicating the existence of a heating or amplifying map between two quantum states. This new preorder relation happens to be relevant in the context of passive-environment bosonic channels. Indeed, we show that these channels are Fock-majorization-preserving, so that any two input states that obey a Fock-majorization relation are transformed into output states respecting a similar relation. As a consequence, it also implies that passive-environment channels are majorization-preserving over the set of passive states of the harmonic oscillator. The consequences of majorization preservation are discussed in the context of the so-called entropy photon-number inequality. Most of our results being independent of the specific nature of the system under investigation, they could be generalised to other quantum systems and Hamiltonians, providing new tools that may prove useful in quantum information theory. In the last part of our thesis, we lay out a resource theory of local activity for bosonic systems. We introduce a notion of local-activity distance, and compare it with the work that can be extracted from a quantum state under local unitaries assisted by passive global unitaries. With this framework, we hope to connect the area of continuous-variable bosonic channels together with quantum thermodynamics.
Le formalisme symplectique appliqué à la représentation des systèmes bosoniques dans l'espace des phases donne accès à un outil mathématique puissant pour la caractérisation des états gau-ssiens et transformations gaussiennes. Les protocoles d'information quantique impliquant ces derniers sont d'ailleurs très bien compris d'un point de vue théorique. Toutefois, il s'est avéré clair durant ces dernières années que l'utilisation de ressources non-gaussiennes est nécessaire afin d'effectuer des tâches cruciales de traitement de l'information. En effet, certaines tâches — telles que la distillation d’intrication quantique, le codage quantique ou encore le calcul quantique — impliquant des états gaussiens ne peuvent être effectuées avec des transformations gaussiennes. Dans la première partie de cette thèse, nous développons une nouvelle méthode basée sur la fonction génératrice d'une suite qui donne lieu à une description élégante d'objets intrinsèquement non-gaussiens. Se basant sur la fonction génératrice des éléments de matrice d'unitaires gaussiens dans la base de Fock, notre approche donne accès aux probabilités de transition multi-photon via des équations de récurrence étonnamment simples. La méthode est développée pour des unitaires gaussiens produisant des couplages linéaires passifs et actifs entres deux modes bosoniques. Elle prédit un terme d'interférence destructive qui généralise l'effet Hong-Ou-Mandel pour plus de deux photons indistinguables pénétrant dans un diviseur de faisceau équilibré. De plus, elle met en évidence un effet inattendu de suppression de deux photons dans un amplificateur paramétrique optique de gain 2. Cette suppression résulte de l’indistinguabilité entre les paires de photons d’entrée et de sortie. Finalement, nous étendons notre méthode à des transformations de Bogoliubov agissant sur un nombre de modes arbitraire. Dans la seconde partie de cette thèse, nous introduisons une classe de canaux quantiques bosoniques gaussiens-dilatables (caractérisés par un unitaire gaussien dans leur ``Stinespring dilation") appelés canaux à environnement passif. Ces canaux sont intéressants du point de vue de la thermodynamique quantique puisqu’ils correspondent au couplage d’un système bosonique avec un environnement bosonique qui est passif dans la base de Fock (en d’autres termes, il est impossible d’en extraire de l’énergie avec des transformations unitaires), suivi du rejet de l’environnement. Grâce à la fonction génératrice, nous fournissons une description de ces transformations en termes de canaux quantiques bosoniques gaussiens limités par le bruit du vide. Nous introduisons ensuite une nouvelle relation de pré-ordre appelé ``majorization" de Fock, qui coïncide avec la ``majorization" usuelle pour les états passifs mais induit une autre relation en terme du nombre moyen de bosons, connectant ainsi les concepts d’énergie et de désordre d’un état quantique. Dans ce contexte, nous prouvons des propriétés variées de la ``majorization" de Fock et montrons en particulier que cette dernière peut être interprétée comme une relation indiquant l’existence d’une transformation d’amplification entre deux états quantiques. Cette nouvelle relation de pré-ordre s’avère appropriée dans le contexte des canaux bosonique à environnement passif. En effet, nous montrons que ces canaux conservent la ``majorization" de Fock, de sorte que n’importe quels deux états d’entrée obéissant une relation de ``majorization" de Fock sont transformés en états de sortie vérifiant une relation similaire. En particulier, cela implique que les canaux à environnement passif préservent la ``majorization" pour l'ensemble des états passifs de l’oscillateur harmonique. Les conséquences de la préservation de la ``majorization" sont examinées dans le contexte de la ``entropy photon-number inequality". Étant indépendants de la nature spécifique du système étudié, la plupart de nos résultats peuvent être généralisés à d’autres systèmes et hamiltoniens quantiques, donnant lieu à de nouveaux outils qui pourraient s’avérer utiles en théorie de l’information quantique. Dans la dernière partie de notre thèse, nous mettons en place une théorie de l’activité locale pour les système bosoniques. Nous introduisons une notion de distance en terme d'activité locale et la comparons avec le travail qui peut être extrait d'un état quantique avec des unitaires locaux assistés par des unitaires globaux passifs. Le but à long terme est de se baser sur cette théorie afin de connecter les domaines des canaux bosoniques à variables continues et de la thermodynamique quantique.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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La découverte expérimentale du graphène (monocouche de graphite) en 2004 a provoqué un grand engouement dans la communauté scientifique. Cela a également renouvelé l'intérêt pour l'étude du graphite. Les propriétés de ces deux matériaux ont largement été étudiées par le biais de différentes techniques expérimentales (transport, optique. . . ). Dans cette thèse nous démontrons que les mesures de transmission effectuées sous champ magnétiques très intenses (> 1 millions de fois le champ magnétique terrestre) sont un outil très puissant pour étudier la structure électronique du graphène et du graphite. Dans un premier temps, nous montrerons que l'asymétrie électron-trou dans le graphite est causée par le terme souvent négligé de l'énergie cinétique d'un électron libre. Ce terme, également présent dans l'Hamiltonien décrivant les propriétés électroniques du graphène, explique élégamment l'asymétrie électron trou qui y est observée. Deuxièmement, l'utilisation de nombreuses sources dans l'infrarouge et dans le visible (200meV à 2eV) nous a permis d'observer de grandes séries de transitions interbandes dans le graphite entre les quatre bandes (E3+, E3-, E1 et E2) jusqu'à 150 T et à température ambiante. La résonance au point K peut être parfaitement décrite avec le modèle du bicouche effectif et la résonance au point H correspond à celle d'une monocouche de graphène. Enfin, nous démontrerons que ces résonances peuvent être réduites à une simple mesure de la relation de dispersion décrite par la formule relativiste E2=m02v4 + p2v2, avec v la vitesse de Fermi et, où l'énergie d'une particule au repos m0v² est égale à 385 meV au point K et est nulle au point H
Since its experimental discovery in 2004, graphene (a single layer of graphite) has attracted a lot of attention. It also leads to a renewed interest in graphite. Subsequently, both these materials have extensively been studied using different experimental techniques. In this thesis we demonstrate that transmission measurements performed in extremely high magnetic field (> 1 million times the earth's magnetic field) are a very useful tool to investigate the electronic structure of graphene and graphite. In particular, we will demonstrate that electron-hole asymmetry in graphite is caused by the often neglected free-electron kinetic energy term. This term is also present in the Hamiltonian describing electronic properties of graphene, hence it will lead to an asymmetry in graphene. Additionally, using near-infrared and visible sources from 200meV to 2eV we observe strong series of interband transitions in graphite between the four interlayer split bands (E3+, E3-, E1 and E2) up to 150 T at room temperature. The K-point electron resonances can be described well using an effective bilayer graphene model and the H-point transitions correspond to monolayer graphene. It is demonstrated that this can be reduced to a single measurement of the dispersion relation which is described by the relativistic formula where E2=m02v4 + p2v2 with v the Fermi velocity and a single particle rest energy m0v² of 385 meV for the K-point electrons and zero as expected for the H-point

L’obtention d’un Laser à Électrons Libres X (LEL-X) compact est un objectif majeur pour le développement des lasers. Plusieurs schémas prometteurs de LEL-X ont été proposés en utilisant à la fois l’accélération d’électrons dans les plasmas et des onduleurs optiques en régime Compton ou Compton inverse. Nous avons proposé un nouveau concept de LEL-X compact baptisé Raman XFEL, en combinant la physique des LEL en régime Compton, des lasers XUV conventionnels basés sur l’interaction laser plasma, et de l’optique non-linéaire. Nous étudions dans cette thèse les étapes préalables pour déclencher un effet laser à rayons X lors de l’interaction entre un paquet d’électrons libres relativistes et un réseau optique créé par l’interférence transverse de deux impulsions laser intenses. Dans cet objectif j’ai développé un code particulaire baptisé RELIC. Les études menées avec le code RELIC nous ont permis d’étudier la dynamique d’électrons relativistes et les processus d’injection du paquet d’électrons dans le réseau optique. Grâce à RELIC, nous avons distingué de nouveaux régimes d’interaction en fonction des paramètres du paquet d’électrons, ainsi que de la géométrie du réseau optique. Ces études ont été appliquées à l’amplification du rayonnement X et appuyées par des simulations PIC. RELIC a également permis de modéliser et d’analyser la première expérience réalisée en octobre 2015 sur l’installation laser ’Salle Jaune’ au Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA). Cette première expérience a été une étape très importante pour la validation des modèles théoriques, et pour la réalisation future d’un laser à électrons libre X Raman
The quest for a compact X-ray laser has long been a major objective of laser science. Several schemes using optical undulators are currently considered, in order to trigger the amplification of back scattered radiation, in Compton or inverse Compton regime. We have proposed a new concept of compact XFEL based on a combination between the physics of free electron lasers, of laser-plasma interactions, and of nonlinear optics. In this thesis, we study the necessary steps to trigger a X-ray laser during the interaction between a free relativistic electron bunch and an optical lattice created by the interference of two intense transverse laser pulses. For this purpose I developed a particular tracking code dubbed RELIC. RELIC allowed us to study the dynamics and injection process of a bunch of relativistic electrons into the optical lattice. Thanks to RELIC, we distinguished several interaction regimes depending on the relativistic electron bunch parameters, and on those of the optical lattice and its geometry. These studies are applied to the X ray amplification and supported by PIC simulations. RELIC also allowed us to model and analyze the first experiment conducted in october 2015 on the ”Salle Jaune” laser facility at LOA. This first experiment was very important to validate our theoretical models, and should prove to be an essential milestone for the development of a Raman X-ray free electron laser

La découverte expérimentale du graphène (monocouche de graphite) en 2004 a provoqué un grand engouement dans la communauté scientifique. Cela a également renouvelé l'intérêt pour l'étude du graphite. Les propriétés de ces deux matériaux ont largement été étudiées par le biais de différentes techniques expérimentales (transport, optique...). Dans cette thèse nous démontrons que les mesures de transmission effectuées sous champ magnétiques très intenses (> 1 millions de fois le champ magnétique terrestre) sont un outil très puissant pour étudier la structure électronique du graphène et du graphite. Dans un premier temps, nous montrerons que l'asymétrie électron-trou dans le graphite est causée par le terme souvent négligé de l'énergie cinétique d'un électron libre. Ce terme, également présent dans l'Hamiltonien décrivant les propriétés électroniques du graphène, explique élégamment l'asymétrie électron trou qui y est observée. Deuxièmement, l'utilisation de nombreuses sources dans l'infrarouge et dans le visible (200meV à 2eV) nous a permis d'observer de grandes séries de transitions interbandes dans le graphite entre les quatre bandes (E3+, E3-, E1 et E2) jusqu'à 150 T et à température ambiante. La résonance au point K peut être parfaitement décrite avec le modèle du bicouche effectif et la résonance au point H correspond à celle d'une monocouche de graphène. Enfin, nous démontrerons que ces résonances peuvent être réduites à une simple mesure de la relation de dispersion décrite par la formule relativiste E2=m02v4 + p2v2, avec v la vitesse de Fermi et, où l'énergie d'une particule au repos m0v² est égale à 385 meV au point K et est nulle au point H.

Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons X
Continuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration

Les impulsions laser ultrabrèves nous permettent de suivre en temps réel les phénomènes ultrarapides au sein de la matière à l’échelle microscopique. C’est précisément pour l’invention de la chimie à l’échelle femtoseconde, ou femtochimie, qu’Ahmed Zewail se vit décerner le prix Nobel de chimie en 1999. Depuis les utilisateurs du laser cherchent à augmenter la résolution temporelle, c’est-à-dire réduire la durée des impulsions laser. Aujourd’hui, nous savons générer des flashs lumineux à l’échelle attoseconde dans le domaine spectral de l’extrême ultraviolet (XUV) mais l’efficacité de génération reste faible et le développement de sources laser attosecondes intenses constitue un sujet de recherche très actif sur le plan international.Notre groupe au LOA se concentre sur la génération d’impulsions attoseconde sur miroir plasma en régime relativiste. Pour cela, il cherche à développer une source d’impulsions femtosecondes à forte cadence et fort contraste et suffisamment énergétiques pour atteindre des intensités relativistes (>> 10^18W/cm2) lorsqu’elles sont fortement focalisées sur un plasma surdense. Un plasma surdense réfléchit la lumière incidente et par conséquent agit comme un miroir qui se déplaçant à vitesse relativiste et qui comprime l’impulsion incidente, produisant ainsi un flash attoseconde par cycle optique. En utilisant des impulsions proches d’un cycle optique, il est donc envisageable de générer une seule impulsion attoseconde intense pendant l’interaction.Dans la première partie de mon travail de thèse, j’ai réalisé un compresseur nonlinéaire pour réduire la durée des impulsions issues d’une chaîne à double dérive de fréquence (10mJ, 25fs, 1kHz) à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. En propageant les impulsions du laser à haute intensité dans une fibre creuse remplie de gaz rare, j’ai réussi à générer des impulsions de 1.3 cycle optique avec une puissance crête autour de 1TW avec une CEP stabilisée. Dans un deuxième temps, j’ai mis en forme spatialement et temporellement les impulsions issues du compresseur à fibre pour générer à la fois des impulsions attosecondes intenses et des faisceaux d’électrons énergétiques sur un miroir plasma à gradient de densité contrôlé. Ces expériences nous permis, pour la première fois, de mettre en évidence la production d’impulsions attosecondes isolées dans l’XUV, l’émission corrélée de faisceaux d’électrons énergétiques en régime relativiste ainsi qu’un nouveau régime d’accélération d’électrons à très long gradient plasma
Very short light pulses allow us to resolve ultrafast processes in molecules, atoms and condensed matter. This started with the advent of Femtochemistry, for which Ahmed Zewail received the Novel Prize in Chemistry in 1999. Ever since, researcher have been trying to push the temporal resolution further and we have now reached attosecond pulse durations. Their generation, however, remains very challenging and various different generation mechanisms are the topic of heated research around the world.Our group focuses on attosecond pulse generation and ultrashort electron bunch acceleration on solid targets. In particular, this thesis deals with the upgrade of a high intensity, high contrast, kHz, femtosecond laser chain to reach the relativistic interaction regime on solid targets. Few cycle driving laser pulses should allow the generation of intense isolated attosecond pulses. A requirement to perform true attosecond pump-probe exeriments.To achive this, a HCF postcompression scheme has been conceived and implemented to shorten the duration of a traditional laser amplifier. With this a peak intensity of 1TW was achieved with near-single-cycle pulse duration. For controlled experiments, a vacuum beamline was developed and implemented to accurately control the laser and plasma conditions on target.During the second part of this thesis, this laser chain was put in action to drive relativistic harmonic generation on solid targets. It was the first time ever that this has been achieved at 1 kHz. By CEP gating the few-cycle-pulses, single attosecond pulses were generated. This conclusion has been supported by numerical simulations. Additionally a new regime to accelerate electron bunches on soft gradients has been detected

La détection d'ondes gravitationnelles en 2015 a posé la première pierre d'un tout nouveau pan de la physique de l'Univers. La multiplication et l'amélioration des détecteurs permettront, associées aux observations électromagnétiques, d'obtenir de précieuses informations sur les objets peu connus de l'Univers, comme les trous noirs. Dans ce contexte la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) sera le premier détecteur interférométrique spatial à ondes gravitationnelles. Concrètement, l'effet d'une onde gravitationnelle est une déformation périodique de l'espace-temps, très faible, mais pouvant être détectée par mesure interférométrique. La mission LISA détectera ainsi des variations de longueur de l'ordre du picomètre pour une longueur de bras de l'ordre du million de kilomètres, soit une variation relative de 〖10〗^(-21). De tels niveaux de sensibilités nécessitent des techniques avancées de réductions de bruit qui doivent être testées numériquement et expérimentalement. Le bruit dominant sur la mesure sera le bruit de fréquence du laser, qui nécessitera, outre les techniques de stabilisation laser, l'utilisation d'une méthode de traitement numérique appelée interférométrie à temps retardés (TDI) qui permet de reformer virtuellement un interféromètre à bras égaux, ce qui a pour effet d'annuler le bruit de fréquence du laser. C'est particulièrement cette technique qui est testée par l'expérience faisant l'objet de cette thèse. Le LISA On Table (LOT) est un simulateur comportant une partie électronique et une partie optique permettant de simuler des signaux réalistes de LISA afin de tester TDI. Il permet de faire interférer des signaux retardés simulés représentatifs du temps de trajet de la lumière entre les satellites de la constellation LISA. L'expérience possédant ses propres bruits instrumentaux, il s'agit de travailler à leur compréhension et leur diminution. Le LOT permet en outre de tester d'autres points de la mission, comme le transfert de bruit d'horloge ou bien des prototypes d'instruments comme le phasemètre par exemple. Les travaux réalisés ont permis de faire fonctionner la partie optique du LOT sous vide, afin d'en limiter les bruits instrumentaux. L'expérience permet de tester et de valider TDI dans une configuration réaliste à bras inégaux de LISA. Des tests permettent aussi de valider la simulation de l'effet Doppler
The first gravitational waves detection in 2015 opened a brand new window on astrophysics and cosmology. Developement and enhancement of new instruments, coupled with electromagnetic observations, will help with the understanding of quite unknow objects of the Universe, such as black holes. In this context, the LISA mission (Laser Interferometer Space Antenna) will be the first space-based interferometric detector of gravitational waves. The effect of a gravitational wave is a weak periodic distortion of space-time but still observable with interferometric measurments. LISA will detect length variation in the range of picometer, for an arm length in the range of a million kilometer, which corresponds to a relative variation of 〖10〗^(-21). Such sensitivity levels require advanced noise reduction techniques which have to be tested both numerically and experimentally. The dominant noise on the measurement is the frequency noise of the laser. Besides laser stabilisation techniques, a data processing technique called time delay interferometry (TDI) will be needed. It allows to virtually reconstruct an equal arm interferometer, so that the frequency noise of the laser is canceled. This is the main noise reduction technique which is tested by the core experiment of this thesis work. The LISA On Table (LOT) is a simulator comprised of both an electronic and an optical part that can simulate realistic signals of LISA to test TDI. It enables simulated delayed signals, representative of the travel time of the light between satellites, to interfere. The experiment having its own instrumental noises, it is necessary to work on their comprehension and reduction. Moreover, the LOT can be used to test other key features of the mission, such as clock noise transfer, and instruments prototypes such as the phasemeter. the conducted studies made the LOT operational under vacuum, thus limiting the instrumental noises. With the experiment, TDI can be validated in a representative uneven arm length configuration of LISA. Doppler effect simulations are also tested

Cette période trouve son unité dans l'adoption progressive des conceptions de Fresnel et l'édification d'une théorie vibratoire et ondulatoire de la lumière. Il y a lieu d'examiner comment a été alors comprise la propagation de la lumière. Mais pareille étude perd nécessairement la dimension d'une analyse du concept de "phénomène lumineux", cette désignation se rapportant à l'ensemble des manifestations de la lumière. L'examen des diverses théories de la propagation de la perturbation lumineuse - des théories mécaniques fondées sur l'intervention de l'éther à la théorie électromagnétique - ne peut laisser dans l'ombre la constitution d'une cinématique et d'un mécanisme ondulatoires : la conception du phénomène lumineux en a été profondément transformée. Elle a été également marquée, de manière définitive, par l'importance accordée aux aspects énergétiques de la propagation de la lumière. La notion de rayon lumineux a ainsi fait l'objet de spécifications diverses. Les problèmes liés a la formation de l'image dans un instrument fournissent, enfin, une illustration instructive des approches complémentaires - géométrique, électromagnétique, analytique, ondulatoire, énergétique - du phénomène lumineux. Le type de rationalité qui préside à sa représentation, à la veille des révisions quantiques et relativistes, est alors définissable
The gradual adoption of Fresbel's conceptions and the edification of a vibratory and ware theory of light give its unity to the period that goes from the beginning to the nineteenth century to the birth of the theory of relativity. It is useful to examine how the propagation of light was understood during this period of time. But such a study necessarily implies an analysis of the concept of the "light phenomenon". This designation relates to all the manifestations of light. The examination of the different theories of the propagation of the light perturbation is not sufficient. One must also take into account the formation of a wave kinematics and an undulatory mechanism; hence a deep transformation of the conception of the light phenomenon. This conception has also been definitively marked by the importance given to the energy aspects of the propagation of light. The notion of light ray has thus been the subject of different specifications. Finally, the problems raised by the forming of the image in an instrument provide an instructive illustration of the complementary approachs - electromagnetic, analytic, undulatory, energy-of the light phenomenon. The kind of rationality that gaverns its representation, on the eve of the quantum and relativistic revisions, is definable

L'utilisation de l'équation de Dirac/Weyl conduit à une simplification conceptuelle dans une description de la structure de la bande dans les solides à faible échelle d'énergie. En particulier, les excitations d'électrons-trous peuvent être considérées comme analogues au cas relativiste tel que conductivité optique linéaire, le suppression de backscattering ou la manifestation des arcs de Fermi et la chiralité des particules. En outre, la phase semi-métallique est également un élément crucial pour la classification des matériaux. La taille de le gap est affectée qualitativement par le type de dispersion d'énergie par un croisement continu des bandes linéaires à paraboliques. Cela peut être compris comme une limite classique ou ultra-relativiste du mouvement d'une particule massive.La spectroscopie infrarouge de la transformation de Fourier est une technique unique pour étudier les excitations optiques dans une large gamme d'énergies et représente en combinaison avec le champ magnétique élevé un outil puissant pour sondage de la structure électronique et surmonte le principal obstacle des systèmes sans gap qui est un dopage fort en raison de désordre structurel.La première partie du travail est consacrée à l'arséniure de cadmium, où nous élaborons une approche de distinction qualitative entre les systèmes Dirac et Kane qui ont été utilisés pour prouver sur la base de la réponse magnéto-optique observée la réalisation du modèle Kane presque sans gap avec une similitude frappante avec HgCdTe, en contradiction avec l'existence de cônes purement Dirac. La magnéto-réflectivité dans un champ magnétique à champ élevé la résonance cyclotron caractéristiques par un radical-B dépendance avec un comportement particulier dans la limite quantique. En revanche, la magnéto-transmission montrait des transitions de niveau Landau qui doit être interprétées que comme un type plat-à-cône afin de préserver une cohérence totale du modèle. Les cônes de Dirac prédits par la théorie sont susceptibles de coexister dans le modèle de Kane sous la forme d'une sous-structure décrite par le modèle de Bodnar qui se rapproche de la structure cristalline complexe par une simple cellule antifluorite qui permet d'utiliser la théorie du k.p classique.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur le bismuth comme isolant topologique 3D archétype. Nous étudions une condition particulière obéie pour le BHZ-hamiltonien qui apporte des propriétés intriguantes comme une relation inhabituelle de spin gap et la résonance du cyclotron, l'épinglage spécifique entre les fancharts des sous-groupes Landau ou les g-facteurs compensés dans les bandes de conduction et de valence. Les mesures de photoluminescence ont montré une émission directgap, ce qui donne un nouvel aperçu de la structure largement acceptée à partir des données ARPES, où la “chameau structure” de la bande de valence doit être expliquée dans le confinement de surface et le point de Dirac de l'état de surface doit être repositionné par rapport aux bandes en bulk. La réponse magnéto-optique peut être pleinement expliquée dans une image classique du paramagnétisme de Pauli comme un simple effet d'occupation. Un tel comportement se manifeste dans la transmission en tant que fractionnement progressif du bord d'absorption interbande avec une saturation successive due à la polarisation spin partielle ou totale des électrons. Le dichroïsme relatif entraîne également une forte rotation de Faraday linéaire décrite par un modèle simple de la constante Verdet qui ne dépend pas sur le niveau de Fermi
The use of the Dirac/Weyl equation leads to a conceptual simplification in a description of the band structure in solids at low energy scales. In particular, electron-hole excitations can be regarded as an analogue to the relativistic case with several expected phenomena to be observed in the condensed systems such as a suppressed back-scattering, linear optical conductivity or the manifestation of the Fermi arcs and particle's chirality. Moreover, the semimetallic phase also symbolizes a boundary between the trivial and topological insulators and thus play a crucial role for the material classification. The size of the gap qualitatively affects the type of the energy dispersion by a continuous crossover from the linear to parabolic bands. This fact can be easily understood as a classical or ultra-relativistic limit of the motion of a free massive particle.Infrared Fourier transform spectroscopy is a unique technique for studying optical excitations in a wide range of energies and it represents in combination with the high magnetic field a powerful tool for probing electronic structure and overcomes the main obstacle of the gapless systems that is a strong doping due to the structural disorder.The first part of the work is devoted to cadmium arsenide, where we elaborate an approach to qualitatively distinguish between the Dirac and Kane systems that was used to prove on the basis of the observed magneto-optical response the realization of the nearly gapless Kane model with a striking similarity to HgCdTe, contradicting the existence of purely Dirac cones. The magneto-reflectivity revealed a strong splitting of the plasma edge that turns into the cyclotron resonance characteristic by a squareroot-of-B dependence in the high magnetic field with a particular behaviour in the quantum limit independent on the initial Fermi level. In contrast, the magneto-transmission revealed interband Landau level transitions that could be only interpreted as a flat-to-cone type in order to preserve a full consistency of the model. The Dirac cones predicted by theory are feasible to coexist within the Kane model in the form of a substructure described by the Bodnar model that approximates the complex crystal structure by a simple antifluorite cell, which allows to use the conventional k.p-theory.In the second part, we focus on bismuth selenide entitled as an archetypal 3D topological insulator. We study a peculiar condition fulfilled for the BHZ-hamiltonian that brings intriguing properties such as an unusual relation of the spin gap and cyclotron resonance, the specific pinning between fancharts of Landau subsets or the compensated g-factors of the conduction and valence bands. The photoluminescence measurements showed a direct-gap emission, that gives a new insight to the widely accepted structure from ARPES data, where the declared camel-back structure of the valence band needs to be explained within the surface confinement and the Dirac point of the surface state should be repositioned with respect to the bulk bands. The magneto-optical response can be fully explained in a classical picture of the Pauli paramagnetism as a purely occupational effect. Such behaviour is evinced in the transmission as a gradual splitting of the interband absorption edge with a successive saturation due to the partial or total spin polarization of electrons. The related dichroism drives also a strong linear Faraday rotation described by a simple model of the Verdet constant that depends only on the Fermi level

Nous étudions dans cette thèse théorique et numérique l'accélération d'électrons lors de l'interaction entre une impulsion laser d'intensité relativiste et un plasma surdense. Cette interaction est très sensible au profil de densité sur la face avant du plasma et deux régimes différents, correspondant à deux thématiques de recherche développées dans cette thèse, peuvent être considérés.Premièrement, pour des interfaces plasma-vide très abruptes, les mécanismes menant à l'émission d'électrons sont bien compris. Les électrons gagnent en particulier une grande quantité d'énergie lors de leur interaction dans le vide avec l'impulsion laser réfléchie. Nous proposons d'optimiser cette accélération en utilisant des faisceaux polarisés radialement, qui sont caractérisés par la présence d'un fort champ longitudinal, capable d'accélérer directement les électrons dans la direction de propagation du laser. Nous montrons que les plasmas surdenses conduisent à une accélération plus efficace que les autres méthodes existantes pour injecter des électrons dans une impulsion polarisée radialement. Ce résultat a été confirmé par des expériences effectuées récemment au CEA Saclay, au cours desquelles la possibilité d'accélérer des électrons dans la direction longitudinale, menant ce faisant à une diminution de la divergence angulaire du faisceau d'électrons, a été démontrée.Deuxièmement, pour des gradients de densité plasma plus grands, l'interaction n'est pas aussi bien comprise. Nous analysons des résultats expérimentaux obtenus récemment au LOA avec des impulsions de quelques cycles optiques et nous montrons que les électrons sont accélérés par une onde de sillage laser formée dans la partie quasi-critique du plasma. Ce processus ne se produit qu'avec des impulsions de quelques cycles optiques, en accord avec la condition de résonance, et se distingue par la rotation des ondes plasmas causée par le gradient de densité
This theoretical and numerical thesis is devoted to electron acceleration from the interaction between a relativistic intensity laser pulse and an overdense plasma. This interaction is very sensitive to the density profile at the plasma front surface and two different regimes, which correspond to two distinct lines of research investigated in this thesis, can be considered.First, for sharp plasma-vacuum interfaces, the mechanisms responsible for electron emission are well understood. The electrons receive in particular a large energy gain from their interaction in vacuum with the reflected laser. We propose to optimize the acceleration by using radially polarized beams, which exhibit a strong longitudinal electric field that can directly accelerate electrons in the laser propagation direction. We show that overdense plasmas lead to more efficient acceleration than other existing methods for injecting electrons into a radially polarized pulse. This result was confirmed by recent experiments performed at CEA Saclay, in which electron acceleration in the longitudinal direction, leading to a decrease in the electron beam angular spread, is demonstrated.Secondly, for larger plasma gradient scale lengths, the interaction is not as well understood. We analyze recent experiments performed in this regime at LOA with few-cycle pulses and find that electrons are accelerated by a laser wakefield formed in the near-critical part of the plasma. This process can only be driven by few-cycle pulses, by virtue of the resonant condition, and is characterized by the rotation of the plasma waves induced by the density gradient

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique. Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2006.
N° d'ordre (Lille 1) : 3788. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque partie.

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques
Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models

Les calculs théoriques ab initio se présentent de plus en plus comme un puissant outil d'investigation dont les apports spécifiques favorisent la compréhension fine des propriétés optiques des cristaux dopés. Dans la mesure où ces propriétés sont généralement le résultat d'effets physiques locaux propres à l'impureté et à son environnement immédiat, une approche locale de cluster environné s'applique bien à leur étude. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à la simulation du spectre d'excitation du composé Y2O3:Bi3+, lequel présente deux types de sites de substitution cationique dont la basse symétrie ajoute à la complexité du problème. Nous avons mis en évidence l'importance d'une modélisation soignée des effets de l'environnement : celle-ci est ici assurée par remploi de potentiels modèles ab initio (AIMP) incluant au mieux les effets quantiques en plus des effets coulombiens. D'autre part, le nombre et la nature des ions impliqués nécessitent de prendre en compte avec précision la corrélation électronique et les effets relativistes. Nous avons donc étudié systématiquement, dans le cas de Y2O3 :Bi3+, Cs2NaYCl6 :Bi3+ et LiYF4 :Ce3+, l'influence de diverses méthodes de corrélation, dégageant ainsi les approximations nécessaires pour traiter raisonnablement de tels systèmes. Finalement, le calcul de la relaxation structurale, des énergies de transition et des forces d'oscillateurs au sein du cluster (BiO6)9- dans la matrice Y2O3 apporte des informations spécifiques complémentaires de celles antérieurement extraites de l'expérience, notamment une évaluation des déplacements de Stokes dans les deux sites, qui permettent d'interpréter la spectroscopie du composé.

Trapped ions in linear Paul traps are largely isolated from interaction with the environment. This property of trapped ions make them a primary choice for quantum technology. Over the last decade, trapped atomic ions in linear radio frequency Paul traps have shown to be an important tool to implement quantum algorithms. The scalability of linear ion traps is required to handle large numbers of qubits, in order to implement useful quantum computation. Advance micro-fabrication technology allows the realisation of scalable ion traps. Further developments of micro-trap designs, for the purpose of scalable quantum technology, requires inter-disciplinary investigations of ion traps. Micro-scale ion trap designs typically require a versatile experimental setup. The first part of this thesis describes such an experimental setup including a chip bracket that can host macroscopic ion traps as well as advanced symmetric and asymmetric ion trap chips with up to 90 control electrodes. The system provides versatile optical access for both type of traps and the vacuum chamber is designed in a way so the ion traps can be replaced within a short amount of time. To test the working of the setup, a macroscopic ion trap with an ion-electrode distance of 310±10 μm is used to trap ytterbium ions (Yb+). The trap is characterised by measuring the heating rate, (n•), and spectral noise density SE(ω). A photoionisation technique is used to ionise the different isotopes of Yb in our trap. Isotope selective photoionisation requires exact measurements of 1So↔1P1 transition for the different Yb isotopes. A technique to measure these resonant frequencies is described. This technique works by observing and aligning fluorescence spots and by using this technique, the 1So↔1P1 transition frequencies for stable isotopes of Yb were measured with an accuracy of 60 MHz. These new measured transition frequencies for stable Yb isotopes differ from previously published work by 660 MHz. Furthermore, this technique can also be used to obtain the transition frequencies at different laser-atomic beam angles, typical for non-perpendicular laser-atomic beam angles. The second part of this thesis discusses the optimisation of surface trap geometries as they are being used to implement scalable ion trap designs which consist of a large number of trapping zones. The trap depth in surface traps is low compared to symmetric traps of similar dimensions. How to optimise the trap geometry to achieve maximum trap depth for a given ion height above the trap electrodes, is discussed. Fast and adiabatic ion shuttling operations in one dimension as well as ion separation and recombination processes are important for many quantum information implementations. The maximum speed of separation of trapped ions for adiabatic shuttling operations depends on the secular frequencies, the trapped ion experiences in the process. It will be shown how such ion trap structures have to be designed for fast ion separation process and linear shuttling. Numerical results of adiabatic shuttling operations for trapped ions in such trap structures are also presented.

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques
Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models