Un modele theorique, recemment propose pour expliquer les instabilites dans un PMO, a ete repris et ameliore, avec la prise en compte plus rigoureuse de la dynamique de l'absorption dans le nuage atomique. On demontre l'existence de valeurs des parametres qui provoquent l'apparition d'un regime d'instabilites deterministes, se manifestant sous la forme d'oscillations periodiques auto-entretenues des variables physiques; l'observation experimentale d'un tel regime dans la dynamique du PMO est aussi decrite. Il s'agit, a notre connaissance, de la premiere observation d'instabilites deterministes dans un systeme atomique.
Un modele theorique, recemment propose pour expliquer les instabilites dans un PMO, a ete repris et ameliore, avec la prise en compte plus rigoureuse de la dynamique de l'absorption dans le nuage atomique. On demontre l'existence de valeurs des parametres qui provoquent l'apparition d'un regime d'instabilites deterministes, se manifestant sous la forme d'oscillations periodiques auto-entretenues des variables physiques; l'observation experimentale d'un tel regime dans la dynamique du PMO est aussi decrite. Il s'agit, a notre connaissance, de la premiere observation d'instabilites deterministes dans un systeme atomique.
Nuages auto-oscillants dans des pièges magnéto-optiques Dans cette Thèse, nous étudions les aspects fondamentaux des nuages atomiques auto-oscillants dans un grand piège magnéto-optique (MOT, de l’anglais Magneto-Optical Trap) équilibré. Ces instabilités présentent des analogies avec des systèmes astrophysiques tels que les étoiles variables (Céphéides), dont les auto-oscillations dépendent de la pression de radiation et de la gravitation, ainsi que des systèmes technologiques tels que les plasmas confinés, où des auto-oscillations peuvent survenir en raison des interactions entre les particules de plasma et le champ magnétique de confinement. Nous commençons par une étude expérimentale des instabilités dans un MOT équilibré, en étudiant d'abord le comportement du seuil d'instabilité par rapport à divers paramètres du MOT, y compris le gradient de champ magnétique, le nombre d'atome et l'intensité laser. Nous procédons ensuite à l'étude des propriétés spatio-temporelles du régime instable et identifions des régimes d'instabilité distincts. Différentes techniques d'analyse sont employées qui permettent d’identifier les modes d'oscillation du nuage dans chacun de ces régimes. Nous étudions également le comportement des distributions des tailles des structures spatiales qui se développent dans le nuage. Dans une approche théorique, nous développons un modèle cinétique 3D pour le MOT en prenant en compte les interactions entre atomes et l'utilisons avec succès dans des simulations numériques de nos instabilités. Nous trouvons des accords qualitatifs avec les seuils d'instabilité issus des expériences et prédisons les régimes d'instabilité obtenus expérimentalement. Nous étudions l’impact des ingrédients physiques de notre modèle sur les instabilités, afin de faciliter la compréhension de la physique complexe à l’œuvre. Enfin, nous montrons un résultat numérique préliminaire pour une instabilité dans un MOT désaligné, observée expérimentalement, démontrant ainsi que notre outil numérique peut être utilisé au-delà du MOT équilibré.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
Les travaux presentes dans ce memoire ont pour but de decrire la dynamique d'un nuage d'atomes froids dans un piege magneto-optique. Nous nous sommes plus particulierement interesses aux instabilites spontanees que developpe le systeme pour certains parametres. Dans ce cas, par une approche phenomenologique, nous avons pu mettre en evidence deux composantes dynamiques ; lente et rapide, respectivement liees a la variation du nombre d'atomes et au mouvement du centre de masse du nuage. L'evolution de la dynamique lente (superieure a 0,2 s) apparait toujours erratique. L'evolution de la composante rapide du systeme (superieure a 10 ms) montre, quant a elle, de nombreux regimes, dont des regimes periodiques et erratiques, dependant des parametres. L'evolution rapide du systeme est aussi fortement affectee par son evolution lente. Nous n'avons pu mettre en evidence une origine deterministe aux instabilites associees aux composantes dynamiques du systeme. Ce resultat ne nous a en outre pas permis de conclure sur les mecanismes physiques a l'origine des instabilites du nuage.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Les réseaux optiques sont des structures créées par l'interférence de faisceaux lasers, qui permettent de piéger et d'ordonner les atomes froids. Ils sont devenus un système modèle pour divers domaines de la physique, car il est possible d'imiter d'autres systèmes en changeant la géométrie et les paramètres du réseau. Ces caractéristiques sont faciles à modifier expérimentalement, de sorte qu'il est possible d'obtenir des réseaux optiques conservatifs. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique d'un atome piégé dans un réseau optique conservatif à 2D. Cette dynamique dépend des paramètres du réseau, et elle est souvent complexe. Cette thèse se situe donc à l'interface entre le domaine des atomes froids et celui de la dynamique non linéaire. L'étude de la dynamique dans le réseau optique nécessite d'abord un traitement dans la limite classique. Nous examinons premièrement les solutions des équations du mouvement obtenues par intégration numérique, pour les différentes configurations du système. Elles montrent une grande variété de régimes dynamiques possibles. Parmi ces régimes, on observe des phénomènes de synchronisation menant à un mouvement périodique accroché en fréquence. La synchronisation semble inhiber le chaos dans le système. Les principales solutions obtenues numériquement sont aussi étudiées analytiquement. Cette approche permet d'obtenir une description du mouvement pour les différents régimes dynamiques observés. Tous ces régimes sont faciles à reproduire expérimentalement et l'influence de la synchronisation sur l'apparition du chaos mérite d'être étudiée. D'autre part, cette analyse classique du système ouvre la voie à l'étude de sa limite quantique.