L'étude théorique présentée a pour but de calculer l'évolution dans le temps de la valeur moyenne d'une observable Q relative à un ensemble d'atomes alcalins dans l'état fondamental, lorsque la relaxation a pour cause les deux processus suivants : d'une part les collisions contre la paroi après diffusion dans le gaz, d'autre part les collisions des atomes alcalins contre les atomes du gaz. Le calcul utilise le formalisme de la matrice densité, ce qui permet de calculer l'évolution de différentes observables et de tenir compte de ce que des observables différentes peuvent relaxer sur la paroi ou sur le gaz avec des constantes de temps différentes. La mise en équation est valable pour une paroi recouverte d'un enduit (collisions faibles de type magnétique) et pour une paroi très désorientante (verre nu ou recouvert d'un miroir alcalin). Cette étude doit permettre d'interpréter les résultats expérimentaux et d'en déduire le coefficient de diffusion de l'alcalin dans le gaz étranger et les sections efficaces de désorientation (alcalin-gaz étranger) relatives à diverses observables. Les rapports entre ces derniers paramètres apportent des renseignements quant à la nature de l'interaction désorientatrice en phase gazeuse et au caractère du spectre de ses fluctuations.
L'étude théorique présentée a pour but de calculer l'évolution dans le temps de la valeur moyenne d'une observable Q relative à un ensemble d'atomes alcalins dans l'état fondamental, lorsque la relaxation a pour cause les deux processus suivants : d'une part les collisions contre la paroi après diffusion dans le gaz, d'autre part les collisions des atomes alcalins contre les atomes du gaz. Le calcul utilise le formalisme de la matrice densité, ce qui permet de calculer l'évolution de différentes observables et de tenir compte de ce que des observables différentes peuvent relaxer sur la paroi ou sur le gaz avec des constantes de temps différentes. La mise en équation est valable pour une paroi recouverte d'un enduit (collisions faibles de type magnétique) et pour une paroi très désorientante (verre nu ou recouvert d'un miroir alcalin). Cette étude doit permettre d'interpréter les résultats expérimentaux et d'en déduire le coefficient de diffusion de l'alcalin dans le gaz étranger et les sections efficaces de désorientation (alcalin-gaz étranger) relatives à diverses observables. Les rapports entre ces derniers paramètres apportent des renseignements quant à la nature de l'interaction désorientatrice en phase gazeuse et au caractère du spectre de ses fluctuations.
La théorie des collisions interatomiques, dans le cadre de l'approximation soudaine, est généralisée de façon à calculer l'influence de ces collisions sur l'évolution de la matrice densité de l'état excité des atomes d'une vapeur. On se limite à l'étude de l'interaction électrostatique dipolaire et de ses termes du premier ordre (résonnants) et du deuxième ordre (non-résonnants). Pour effectuer la moyenne des effets d'une collision, on utilise systématiquement un développement de la matrice densité en composantes standard d'opérateurs tensoriels irréductibles ; ceci permet de simplifier la définition et le calcul des sections efficaces et des temps de relaxation correspondant aux différentes observables. Ce traitement est étendu au cas d'isotopes impairs en supposant que chaque collision n'affecte que la partie électronique de la fonction d'onde de l'atome. On confronte enfin les résultats de cette théorie avec ceux de diverses expériences (double résonance, dépolarisation du rayonnement de résonance, transfert d'excitation entre différents isotopes d'un même élément...) réalisées sur les niveaux triplets du mercure, du cadmium et du zinc (collisions Hg-Hg, Cd-Cd, Zn-Zn et Hg-gaz rares).
Cette thèse est consacrée à l'étude théorique des états quantiques fortement corrélés de ultra-froids piégés atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Ce champ a considérablement augmenté Ces dernières années, suite aux progrès expérimentaux réalisés dans le refroidissement et le contrôle des gaz atomiques, qui a conduit à l'observation de la première condensation de Bose-Einstein (en 1995 [4]). Le le piégeage de ces gaz dans les réseaux optiques a ouvert un nouveau champ de recherche à l'interface entre la physique atomique et physique de la matière condensée. L'observation de la transition à partir d'un superfluide à un isolant de Mott d'atomes bosoniques [46] a ouvert la voie pour l'étude de fortement corrélée phases et transitions de phase quantique dans ces systèmes. Très récemment, le enquête sur l'état isolant de Mott d'atomes fermioniques [63] fournit une motivation supplémentaire de procéder à ces études théoriques. Cette thèse peut être divisée en deux grandes catégories de travail: • D'une part, nous avons proposé un nouveau type de spectroscopie pour mesurer une particule observables corrélateurs et physiques associés à ces états fortement corrélés. • D'autre part, nous avons étudié l'état fondamental du modèle Hubbard fermionique dans des conditions différentes (déséquilibre de masse déséquilibre de population), à l'aide d'analyse techniques et des simulations numériques. En collaboration avec J. Dalibard et C. Salomon (LKB à l'ENS Paris) et I. Carusotto (Trento, Italie), nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de spectroscopie de la mesure et la caractérisation des excitations particule unique (en particulier, la faible excitations de l'énergie, à savoir la quasi-particules) dans les systèmes d'atomes froids fermioniques, avec l'énergie résolution en impulsion et. Ce type de spectroscopie est un analogue de la cinétique résolue photoémission en physique des solides (ARPES). Nous avons montré, via des modèles simples, que ce méthode de mesure permet de caractériser les quasiparticules non seulement dans les "classiques" phases tels que le gaz interagissent faiblement dans le réseau ou dans des liquides de Fermi, mais aussi dans les phases inhabituelles tels que l'état normal de la supraconductivité à haute température avec un pseudogap (leader à une différenciation entre les nœuds et anti-nœuds) ont observé en physique mater condensé. Le première expérience d'application d'un type de spectroscopie (spectroscopie RF) très étroitement liés à notre proposition a été récemment réalisée à Boulder dans le groupe DS Jin, tout comme cette thèse était en cours de rédaction. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons effectué des études théoriques de plusieurs phases de fermions fortement corrélés dans les réseaux optiques dans le cadre de modèles théoriques tels que le modèle de Hubbard. Nous avons mis en place et développé des méthodes d'analyse (Hartree-Fock théorie du champ moyen à faible couplage, la cartographie sur un modèle de spin effectif à couplage fort) et des méthodes numériques (approche de la dynamique signifie la théorie des champs). Ce travail a conduit à deux certains types d'études. Le premier étudie la concurrence entre une phase superfluide et une onde de densité (ou la séparation de phase) pour des fermions à un déséquilibre de masse et attrayant interaction. Nous avons montré que la phase superfluide est instable au-delà d'une certaine valeur du rapport de masse, qui dépend de l'interaction. La seconde étude traite d'un gaz à déséquilibrée des populations (polarisée gaz) avec une interaction attractive en trois dimensions réseau optique. Le résultat principal est un diagramme de phase montrant la stabilité d'un superfluide uniforme phase avec la polarisation (phase Sarma ou violé deux phases) dans un certain paramètre régime. Via un argument énergétique, nous avons conclu que la stabilité du superfluide polarisé phase est due à la réduction de la polarisabilité et le champ critique de la non-polarisée phase superfluide. Dans le régime de couplage fort du modèle de Hubbard, au sein de l'indice CAOD méthode, nous avons montré que la formation de la paire préformé à l'état normal réduit la polarisabilité et favorise la stabilité de la phase deux violée. Bien que certains aspects ont été abordés dans cette thèse, beaucoup de questions intéressantes restent ouvertes pour les travaux futurs. Dans la première partie, le cadre de la spectroscopie roman méthode établie dans le chapitre 2 peut permettre de différentes études concrètes de la nature de vivement les États de corrélation. Par exemple, il devrait être très intéressante pour comprendre les spectres d'excitation à une particule dans les phases non triviales comme l'isolant de Mott, la préformées ou des paires de phases avec ordre à longue portée. Dans la deuxième partie, la construction de la améliorée (BCS-Slater) la théorie du champ moyen, y compris la correction Hartree permet une meilleure Comparaison des méthodes modernes (CAOD et Slave bosons). Pour le système avec la même population pour les deux espèces, la région proche du modèle Falicov-Kimball n'est pas encore bien compris dans notre analyse CAOD en raison de problèmes de la convergence numérique au sein de la méthode exacte-diagonalisation. Toutefois, au sein de l'analyse de la théorie du champ moyen, nous voyons qu'un nouvelle phase uniforme de la vague de densité de charge (CDW-dopé) peut être stabilisé Merci à la haute asymétrie des sauts. Afin de clarifier cette question, une étude réalisée par l'esclave Boson de champ moyen la théorie pourrait être très utile. Cette méthode a deux avantages: d'abord, il contient la forte Physique corrélation (y compris les fluctuations quantiques), d'autre part, dans certains cas simples que nous pouvons extraire le comportement analytique de la solution. En outre, un traitement complet au sein de MFT pour les deux paramètres d'ordre, le superfluide et de la CEP, devrait être utile pour comprendre la nature de la transition de phase dans cette limite. Une autre perspective de cette thèse est l' compréhension de la nature de la phase superfluide polarisé. L'inadéquation de l'Fermi surfaces considérées dans cette thèse est dû au déséquilibre de la population. Nous pouvons toujours contrôler ce décalage en introduisant en outre un déséquilibre de masse. Dans la région, avec la grand-messe déséquilibre, il est probable que la stabilité de la phase superfluide polarisé uniforme peut être encore renforcée. Dans cette thèse, les effets du potentiel de confinement ont été inclus par le biais du local approximation de la densité. Pour un faible potentiel et lisse, ce rapprochement devrait être précis. Toutefois, pour renforcer l'accouchement, il peut devenir plus discutable. En effet, Cette question a récemment été débattu dans la littérature, dans le cadre de l'interprétation d'expériences avec la population déséquilibre [92, 126]. Dynamiques de champ moyen théorie peut être mis en œuvre dans un cadre homogène, au-delà de LDA [53, 95, 102], ce qui pourrait être utilisés pour évaluer la validité de l'approximation LDA pour des problèmes tels que ceux étudiés dans cette thèse. Cela pourrait être pertinent, en particulier pour le débat actuel sur les phases de la systèmes fermioniques à un déséquilibre de la population.
Nous décrivons une approche théorique nouvelle pour étudier des gaz dilués-dégénérés, le formalisme des opérateurs d'Ursell. Nous déterminons la fonction de partition d'un gaz quantique en deux étapes. Dans un premier temps les interactions sont traitées pour un système auxiliaire de particules discernables dans une approximation de faible densité (le rapport entre portée du potentiel et distance moyenne entre particules étant beaucoup plus petit que l'unité). En second lieu la statistique quantique est introduite; aucune approximation n'est nécessaire pendant cette étape ce qui permet le traitement des gaz dégénérés. Il nous est possible de déduire des expressions des opérateurs densité réduits à partir du potentiel thermodynamique. Nous sommes alors en mesure d'étudier des systèmes macroscopiques à l'échelle microscopique. Nous aboutissons à une expression de la fonction de corrélation d'un système de sphères dures qui reproduit les « bonnes » propriétés physiques même à courte distance, un grand avantage par rapport au méthodes habituelles du type de champ moyen. Nous déterminons des expressions des quantités macroscopiques diverses dans une approximation valable pour des systèmes à faible densité (formule de Beth-Uhlenbeck généralisée). Le potentiel d'interaction y intervient par l'intermédiaire d'un nouveau paramètre, la longueur d'Ursell. Une comparaison de nos resultats avec ceux de la théorie des pseudopotentiels démontre que cette dernière donne une image acceptable des phénomènes pour des bosons. En revanche, pour des fermions, nous trouvons une différence importante: à température suffisamment basse, même des potentiels entièrement repulsives donnent lieu à une attraction effective. Nous effectuons également une étude numérique sur la dépendance de la température critique de condensation de Bose-Einstein d'un gaz de sphère dures bosoniques en fonction de la densité. Notre calcul des intégrales de chemin par une méthode Monte Carlo montre que cette température augmente par rapport à celle du gaz parfait à basse densité (maximal d'un facteur 1.07).
Cette thèse présente l'étude théorique de processus cohérents d'excitation et d'ionisation dans les alcalino-terreux. Les paramètres atomiques indispensables pour décrire la dynamique sont calculés en combinant la méthode de matrice R et la théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT). Nous analysons les résultats expérimentaux obtenus par l'équipe d'Elliott concernant le contrôle des taux de production de trois états ioniques du baryum obtenus par interférence entre deux chemins d'ionisation quasi-résonnants avec un état intermédiaire dans un processus à deux photons de couleurs différentes. Introduisant un hamiltonien effectif, nous montrons que la dynamique d'évolution suit l'état adiabatique formé par l'excitation cohérente des deux états intermédiaires. Nous utilisons un formalisme MQDT dépendant du temps, valable en champ faible, pour analyser l'expérience de Ramsey optique, réalisée par van Leeuween et al, portant sur le contrôle des énergies et des distributions angulaires de photoélectrons émis par un paquet d'onde autoionisant créé dans le calcium par excitation du c÷ur isolé d'un état de Rydberg. Le flux radial instantané d'électrons créé par une ou deux impulsions pouvant présenter une dérive de fréquence est aussi étudié. Nous présentons un formalisme nouveau adapté à l'étude de la dynamique de paquets d'onde autoionisants créés par des impulsions brèves et intenses excitant des résonances étroites. Les résonances sont introduites explicitement dans les équations d'évolution. Leur énergie complexe (position et largeur), leurs couplages avec les voies ouvertes induits par le potentiel atomique et ceux avec les états discrets dûs aux laser sont déduits des expressions MQDT par le calcul numérique des pôles et des résidus de la matrice de diffusion physique S et de l'opérateur déplacement lumineux. Le lien entre ces pôles et les états de Siegert permet d'associer une fonction d'onde aux résonances et donc de les identifier.
Dans cette thèse, l'influence du rayonnement laser et du champ magnétique externe uniforme sur la vapeur atomique de métal alcalin est étudiée. Nous nous sommes concentrés sur trois sujets. Dans la première partie, nous avons examiné le contrôle de la population atomique dans un système de type M pour démontrer que de tels systèmes peuvent servir de dispositifs logiques universels à trois bits. La deuxième partie concerne une expérience de spectroscopie atomique. A partir des spectres de fluorescence enregistrés pour les régimes d'interaction stationnaires, transitoires et non stationnaires, nous avons pu extraire des valeurs de paramètres importantes qui sont le taux de relaxation des niveaux d'énergie inférieurs à l'état isotrope d'équilibre, le coefficient de diffusion dans une cellule avec gaz tampon, et la section efficace de collision correspondante. De plus, des conditions temporelles optimales sont obtenues pour fournir un contrôle efficace de la population atomique. Dans le dernier chapitre, une application intéressante d'un champ magnétique interagissant avec des atomes de métaux alcalins est présentée. Théoriquement et numériquement, les transitions entre les sous-niveaux magnétiques des atomes alcalins dans les régimes Zeeman et Paschen-Back sont examinées. Nous avons obtenu des valeurs de champ magnétique annulant les transitions qui ne dépendent que des constantes physiques et atomiques fondamentales. Ces valeurs dans le cas d'une détermination expérimentale appropriée peuvent servir d'étalons de magnétométrie.
La premiere partie de ce memoire est consacree a l'etude theorique et experimentale d'une cavite gravitationnelle pour atomes de cesium. L'element principal de cette cavite est le miroir a atomes, forme d'une onde evanescente se propageant a la surface d'un prisme de verre. La gravite, en repliant les trajectoires des atomes apres leur rebond, joue le role du second miroir. Une etude detaillee des proprietes du miroir et en particulier des phenomenes d'emission spontanee lors du rebond est menee, et les resultats experimentaux obtenus sont presentes et analyses. La deuxieme partie de cette these est consacree a l'etude d'un processus sisyphe elementaire susceptible d'intervenir lors du rebond d'un atome sur le miroir, processus qui entraine un refroidissement particulierement efficace. La distribution en energie des atomes apres le rebond, obtenue experimentalement, est presentee et confrontee aux resultats issus de simulations monte-carlo. Ce refroidissement a permis l'observation de longs temps de vie dans la cavite gravitationnelle. Dans la troisieme partie de ce memoire est propose un mecanisme de chargement d'un gaz bidimensionnel d'atomes, mecanisme qui repose sur un processus sisyphe semblable a celui etudie dans la partie precedente. Les atomes du gaz sont pieges au voisinage du prisme sur le niveau fondamental d'un potentiel de morse realise a l'aide de deux ondes evanescentes. Nous montrons que ce mecanisme permet un chargement efficace du piege, et discutons brievement des proprietes de statistique quantique attendues dans ce gaz bidimensionnel a tres basse temperature