Thèse de Simon Derouault (LCAR), décembre 2014


Titre : Interaction entre des impulsions électromagnétiques quantifiées et des systèmes atomiques : effets transitoires

Résumé : Cette thèse présente l’étude des phénomènes transitoires qui apparaissent lors de l’interaction entre un système atomique à deux niveaux et des impulsions électromagnétiques quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s’appuie ce manuscrit. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d’un atome à deux niveaux traversant une cavité micro-mazer monomode. Le couplage de l’atome avec le champ intra-cavité est transitoire. Pour tenir compte correctement des couplages opto-mécaniques, le mouvement du centre de masse est quantifié. On montre qu’en sortie de cavité, l’état final de l’atome peut être compris à l’aide d’un schéma d’interférence de type Ramsey faisant intervenir des transitions non-adiabatiques pour l’atome lors de la traversée de la cavité Dans la partie trois, nous étudions la configuration où un paquet à un photon se propage dans le guide d’onde à une dimension contenant un à deux atomes. Cette configuration permet d’obtenir un régime de couplage fort entre le photon et les atomes. Nous démontrons alors un théorème important régissant la dynamique temporelle du champ électromagnétique. Il stipule que l’aire de l’impulsion transmise (intégrale sur le temps du champ électrique) est systématiquement nulle. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d’onde, nous explorons les processus d’échanges de photons entre les atomes. Nous montrons qu’il faut distinguer les photons réels (résonants) des photons virtuels (non résonants). Pour traiter correctement l’influence de ces derniers, nous montrons que l’approximation de l’onde tournante ne doit pas être réalisée. L’influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Finalement dans la quatrième et dernière partie, nous traitons le cas d’une impulsion multimode -éventuellement non résonante- contenant un nombre arbitraire de photons et qui se propage dans un guide d’onde contenant un atome. Pour cela nous développons une nouvelle méthode de traitement théorique basée sur la quantification du flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver aisément les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d’états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous distinguons alors entre les couplages intra- et inter-bandes en précisant leurs rôles respectifs.


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