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. |
This thesis presents the study of transient phenomena that occur during the interaction between an atomic two-level system and quantized electromagnetic pulses. In the first part, we recall the theoretical foundations that underpin this manuscript. In a second part, we study the situation of a two-level atom that crosses a mono-mode micro-mazer cavity. The coupling of the atom with the cavity field is transient. To properly account for opto-mechanical coupling, the motion of the center of mass is quantized. It is shown that at the output of the cavity, the atomic behavior can be understood by means of a Ramsey-like interference scheme involving non- adiabatic transitions of the atom when crossing the cavity.
In part three, we study the configuration where a one photon wave-packet propagates in a one dimensional waveguide containing one to two atoms. This configuration allows us to reach the strong coupling regime between the photon and the atoms. We then demonstrate an important theorem governing the temporal dynamics of the electromagnetic field. It states that the area of the transmitted pulse (integral over time of the electric field) is always zero. When two atoms are present in the waveguide, we explore the process of photon exchange between the atoms. We show that it is necessary to distinguish the effects related to real photons (resonant) and those related to virtual photons (non-resonant). To properly handle the influence of the latter, we show that the Rotating Wave Approximation cannot be performed. We also show that the influence of virtual photons can be modulated, and even eliminated by adjusting the inter- atomic distance.
Finally in the fourth and final part, we discuss the case of a multi-mode pulse (optionally non-resonant) containing an arbitrary number of photons propagating in a one dimensional waveguide containing one atom. We develop a new theoretical method based on the quantization of the electromagnetic flux. This method has the particularity to define new global adiabatic states, similar to those used in semi-classical theory. This feature allows to easily find the semi- classical results in the case where the field is composed of many coherent photon states. In the general case, the new structure of adiabatic states is organized into bands. Each band of the quantum model is a single state in the semi-classical model. We then distinguish between intra- and inter-band couplings specifying their respective roles. |