Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.
Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.
Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.
La thématique abordée dans cette thèse relève de la manipulation d’un jet d’atomes d’argon métastables (Ar* ³P2) dans différentes configurations. Premièrement, je présente l’échange de métastabilité entre un atome au fondamental et un atome excité à de faibles énergies de centre de masse (entre 4 et 9 meV). Je propose également l’interprétation théorique par une approche semi-classique (approximation JWKB) qui se révèle validée, dans ce domaine d’énergies, en comparaison avec la résolution exacte de l’équation de Schrödinger radiale mettant en jeu les potentiels concernés par la collision. Les sections efficaces absolues d’échanges, déduites d’une analyse en temps de vol du signal métastable, permettent de réaliser une comparaison sans biais avec les prédictions théoriques. Les caractéristiques d’un jet ralenti par effet Zeeman sont dégradées par le processus de ralentissement et le rende difficilement utilisable en deçà de quelques dizaines de mètres par seconde. C’est pourquoi, dans un deuxième temps, je présente la réalisation d’un jet lent original, issu d’un piège magnéto-optique et présentant des caractéristiques remarquables. La vitesse est accordable entre 10 et 100 m/s, la dispersion de vitesse relative est très faible (6 % à 20 m/s) et le flux est conséquent (10⁹ Ar*/s/sr), pour une ouverture angulaire standard (35 mrad FWHM). Ce nouveau dispositif permet de présenter certaines questions d’interférométrie et d’optique atomique telles que les interactions atome-surface de type van der Waals et l’étude de potentiels comobiles ainsi que leurs applications dans la réalisation de milieux d’indice négatif ou de ralentisseurs.
Dans la première partie de cette thèse, nous développons l'étude expérimentale et théorique d'un type d'interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s'agit d'utiliser d'une part un jet supersonique d'atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d'autre part, un jet d'argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l'interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l'augmentation de la constante d'anisotropie n. Dans le second cas, l'augmentation de la portée est observée lors d'une diminution de la vitesse d'un atome d'argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l'interaction (dont l'efficacité est de quelques 10^(-4)) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d'indice négatif pour l'optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d'indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d'onde atomique. Enfin, nous montrons que l'application de milieux d'indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l'aide d'une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d'autre du bord de la barrière de potentiel.
Ce travail relate la construction et les premiers resultats obtenus avec un interferometre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon metastable, de moment angulaire 2, prepare et selectionne en spin par lasers. Ses performances sont comparees a celles d'un interferometre du meme type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogene metastable, de moment angulaire 1. Pour realiser un interferometre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte a vide traversee par un jet d'atomes polarises puis analyses en spin apres une evolution dans une zone de champ magnetique bien controle. Ceci est realise par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associees a une optique fibree. Les transitions choisies etaient fixees autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnetique du coeur de l'interferometre est realisee par un circuit magnetique centre sur l'axe du jet atomique, protege par un blindage magnetique. En employant un detecteur sensible a la position, nous avons mis en evidence la grande sensibilite de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique a la place d'un jet effusif. Le signal interferometrique depend alors bien plus finement des details du profil magnetique. Cette propriete est mise en evidence par l'apparition dans les figures d'interferences de structures inattendues liees aux effets de phase geometrique traduisants l'evolution du spin 2 dans un champ magnetique conique. Ces resultats permettent de guider la reflexion sur l'application de cet interferometre, tant vers des experiences visant la nanolithographie, qu'a des etudes plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les etudes deja realisees sur l'hydrogene.
Les ondes optiques sont couramment utilisees en interferometrie atomique : les transferts d'impulsion du rayonnement aux atomes permettent de manipuler ces derniers de diverses manieres. Ce travail est consacre a l'etude de l'interaction d'atomes neutres metastables avec des champs optiques evanescents. Nous avons tout d'abord considere le cas d'une onde evanescente stationnaire exaltee a la surface d'un prisme. La technique d'exaltation utilisee ici est l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de kretschmann. Nous avons ainsi montre que sous incidence rasante et en adoptant une geometrie adequate on pouvait reduire le decalage doppler. Le reseau de phase optique que constitue l'onde evanescente stationnaire permet alors de diffracter de facon efficace un jet supersonique d'atomes de neon metastables. Ce dispositif peut jouer le role d'une separatrice en interferometrie atomique. Le taux de diffraction que nous avons observe, comparable en fait au taux de reflexion, est de loin superieur aux previsions theoriques du modele de l'atome a deux niveaux. Une explication avait deja ete avancee pour une observation de meme type, montrant que la structure zeeman pouvait jouer un role crucial dans le mecanisme de la diffraction. Dans notre cas, cette explication se revele insuffisante, ce qui nous a conduit a examiner le detail de ces modeles pour proposer de nouvelles voies d'investigation. Parallelement a ce travail nous avons envisage l'utilisation du potentiel optique cree par l'onde evanescente entourant une fibre optique etiree. Une etude theorique de l'interaction d'un faisceau d'atomes supersoniques avec cette onde evanescente est presentee. Cette etude montre la possibilite de realiser un interferometre atomique a bras separes, dont l'analogue optique est le biprisme de fresnel. Nous decrivons la source laser asservie en frequence que nous avons realisee, avant de presenter nos resultats experimentaux preliminaires.
Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.