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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (22/03/1988), Gay, Jean-Claude (Dir.)
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Atomes de Rydberg en champs statiques intenses
Dominique Delande1

Ce travail est consacré à l'étude des atomes de Rydberg plongés dans des champs extérieurs statiques. Quand l'énergie d'interaction avec le champ devient comparable à l'énergie de liaison coulombienne (régime de champ intense), la structure atomique est profondément bouleversée. Dans ces conditions,on ne sait en général pas calculer le spectre du système. Nous montrons, théoriquement et expérimentalement, l'importance primordiale des considérations de symétries dynamiques (c'est-à-dire non purement géométriques) pour traiter cette classe de problèmes, aussi bien en mécanique classique qu'en mécanique quantique. L'interaction coulombienne possède une symétrie dynamique SO(4) responsable, entre autres, de la dégénérescence en "l" du spectre de l'atome d'hydrogène non relativiste. Dans le régime où le champ extérieur est faible, il brise cette symétrie. Nous utilisons le groupe dynamique SO(4,2) pour étudier algébriquement ce processus et prévoir le comportement de l'atome en présence d'un champ extérieur. Dans le régime de champ intense, le comportement du système dépend du caractère compatible ou non compatible des symétries de l'interaction coulombienne et de l'interaction avec le champ extérieur. Dans le premier cas, le système reste "régulier" et les spectres sont relativement simples à interpréter (l'effet Stark hydrogénoide en est un exemple). Dans le second cas, la dynamique classique peut devenir chaotique. Un cas remarquable est celui de l'atome d'hydrogène en champ magnétique intense. L'ensemble de la dynamique est analysé en détail et le spectre du système peut être calculé numériquement en utilisant une base de fonctions d'onde adaptée aux symétries dynamiques (base Sturmienne). Ces éléments font du magnétisme atomique un prototype pour l'étude du chaos quantique. Nous avons pu confirmer sur ce système certaines conjectures concernant les fluctuations de la distribution des niveaux d'énergie, établies en physique nucléaire, et montrer, qu'au-delà des théories statistiques de matrices aléatoires, les symétries quantiques ne sont pas complètement détruites dans la région où le chaos classique est complet. Ceci se traduit par des régularités observées expérimentalement et l'existence d'un "ordre quantique" à grande échelle. Nous étudions l'influence du coeur atomique et nous montrons qu'elle peut être prise en compte de façon satisfaisante à partir d'un modèle purement hydrogénoide. Nous avons étudié expérimentalement l'effet Stark linéaire de l'atome de Césium. Nous mettons en évidence le processus de redistribution des états de faible moment cinétique (non-hydrogénoides) sur les multiplets hydrogénoïdes lorsque l'intensité du champ augmente. Ce processus, qui traduit l'évolution de la symétrie, sphérique en champ nul vers la symétrie parabolique en champ fort, conduit en particulier à l'observation de profils asymétriques. Pour la première fois, nous avons observé le spectre atomique en présence de champs électrique et magnétique perpendiculaires faibles. Bien que l'atome utilisé soit le Rubidium, et non l'hydrogène, cette expérience constitue sans doute la mise en évidence la plus directe de la symétrie dynamique SO(4) de l'interaction coulombienne. Enfin, nous étudions le diamagnétisme de l'atome de Césium. Nous montrons l'excellent accord entre les prédictions théoriques et les spectres expérimentaux, jusque dans la région de champ intense.
1 :  LSH-ENS - Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'ENS