On décrit une étude expérimentale de la relaxation, en présence d'hélium, d'atomes de Rb polarisés par pompage optique. Des isotopes enrichis de 87Rb, 85Rb, 4He et 3He ont été utilisés. Différentes causes possibles d'erreurs systématiques sont discutées. On observe que la relaxation de < Sz > est caractérisée par deux constantes de temps τ et τ' dont on a mesuré la variation en fonction de la pression p d'hélium (entre 16 et 700 torrs). A basse pression, τ et τ' sont associés aux deux premiers modes de diffusion des atomes vers la paroi totalement désorientante (paroi non enduite). On en déduit le coefficient de diffusion de Rb dans l'hélium à la pression atmosphérique et à 300 °K : D0(Rb-4He) = 0,42 ± 0,06 cm2/s, indépendant de l'isotope Rb et D0(Pb-3He)/D 0(Rb-4He) = 1,25 ± 0,1 et on interprète ces résultats. Aux fortes pressions, au contraire, τ et τ' sont approximativement les constantes de temps de la relaxation de < Sz > induite sous l'effet des chocs contre le gaz (une correction est apportée pour tenir compte de la relaxation sur la paroi après diffusion dans le gaz). On en déduit les sections efficaces σn(87Rb-He) = 0,47 × 10-24 cm2 et σn(85Rb-He) = 0,27 × 10-24 cm2 pour l'observable < Iz >, et σe(Rb-He) = 8,2 × 10-24 cm 2 pour l'observable < Qe >. L'identité des sections efficaces mesurées pour 4He et 3He est compatible avec l'hypothèse selon laquelle l'interaction désorientatrice prédominante est d'origine spin-orbite. L'effet du spin nucléaire de 3He est indécelable et donc plus faible qu'il n'était attendu théoriquement. La variation de σ n, quand on passe de 85Rb à 87Rb, est comprise, ainsi que l'identité de σe pour ces deux isotopes. Par contre, pour expliquer le rapport σn/σe, on est amené à faire certaines hypothèses sur la fonction de corrélation de l'interaction désorientatrice que nous ne savons pas justifier à ce stade sur le plan théorique. Pour élucider complètement le mécanisme de la relaxation du Rb en présence d'hélium, il apparaît que des mesures complémentaires sont nécessaires.
On décrit une étude expérimentale de la relaxation, en présence d'hélium, d'atomes de Rb polarisés par pompage optique. Des isotopes enrichis de 87Rb, 85Rb, 4He et 3He ont été utilisés. Différentes causes possibles d'erreurs systématiques sont discutées. On observe que la relaxation de < Sz > est caractérisée par deux constantes de temps τ et τ' dont on a mesuré la variation en fonction de la pression p d'hélium (entre 16 et 700 torrs). A basse pression, τ et τ' sont associés aux deux premiers modes de diffusion des atomes vers la paroi totalement désorientante (paroi non enduite). On en déduit le coefficient de diffusion de Rb dans l'hélium à la pression atmosphérique et à 300 °K : D0(Rb-4He) = 0,42 ± 0,06 cm2/s, indépendant de l'isotope Rb et D0(Pb-3He)/D 0(Rb-4He) = 1,25 ± 0,1 et on interprète ces résultats. Aux fortes pressions, au contraire, τ et τ' sont approximativement les constantes de temps de la relaxation de < Sz > induite sous l'effet des chocs contre le gaz (une correction est apportée pour tenir compte de la relaxation sur la paroi après diffusion dans le gaz). On en déduit les sections efficaces σn(87Rb-He) = 0,47 × 10-24 cm2 et σn(85Rb-He) = 0,27 × 10-24 cm2 pour l'observable < Iz >, et σe(Rb-He) = 8,2 × 10-24 cm 2 pour l'observable < Qe >. L'identité des sections efficaces mesurées pour 4He et 3He est compatible avec l'hypothèse selon laquelle l'interaction désorientatrice prédominante est d'origine spin-orbite. L'effet du spin nucléaire de 3He est indécelable et donc plus faible qu'il n'était attendu théoriquement. La variation de σ n, quand on passe de 85Rb à 87Rb, est comprise, ainsi que l'identité de σe pour ces deux isotopes. Par contre, pour expliquer le rapport σn/σe, on est amené à faire certaines hypothèses sur la fonction de corrélation de l'interaction désorientatrice que nous ne savons pas justifier à ce stade sur le plan théorique. Pour élucider complètement le mécanisme de la relaxation du Rb en présence d'hélium, il apparaît que des mesures complémentaires sont nécessaires.
Les résultats expérimentaux montrent que la relaxation d'atomes de Rubidium orientés (à la pression de 10-7 mm de mercure et en l'absence de gaz tampon) se fait sur la paroi. Il y a, en outre, des raisons de penser que si la paroi est enduite de paraffine, l'interaction prépondérante qui détermine le phénomène de relaxation se produit entre les moments magnétiques de l'électron de valence du Rubidium (spin S) et ceux des protons (ou deutons) de la paraffine (spins K). Nous donnons ci-après l'étude théorique de ce mécanisme de relaxation. Le calcul peut se faire dans le cadre du modèle dit avec « moyennage par le mouvement ». Les spins S sont soumis, par ailleurs, à deux interactions statiques : l'une est le couplage aS.I de S avec le spin nucléaire I de l'alcalin, l'autre est l'interaction Zeeman avec le champ magnétique statique. Dans la première partie (qui figure seule dans le présent article), nous envisageons le cas d'un champ faible (interaction hyperfine grande devant l'effet Zeeman) ; nous calculons l'équation d'évolution de la matrice densité et de plusieurs observables : population d'un niveau hyperfin, aimantations longitudinales et transversales électroniques et nucléaires. Dans la 2e puis la 3e partie (qui feront l'objet d'un second article), nous envisageons le cas d'un champ très fort puis d'un champ quelconque. Dans la 4e partie, nous généralisons nos résultats au cas où l'interaction responsable de la relaxation n'agit sur l'atome de Rb que par l'intermédiaire de son spin électronique S. Cette étude est nécessaire pour l'interprétation des mesures expérimentales relatives à la détermination du temps de corrélation d'une interaction de ce type.
Les résultats expérimentaux montrent que la relaxation d'atomes de rubidium orientés (à la pression de 10-7 mm de mercure et en l'absence de gaz tampon) se fait sur la paroi. Il y a, en outre, des raisons de penser que si la paroi est enduite de paraffine, l'interaction prépondérante qui détermine le phénomène de relaxation se produit entre les moments magnétiques de l'électron de valence du rubidium (spin S) et ceux des protons (ou deutons) de la paraffine (spins K). Nous donnons ci-après l'étude théorique de ce mécanisme de relaxation. Le calcul peut se faire dans le cadre du modèle dit avec « moyennage par le mouvement ». Les spins S sont soumis, par ailleurs, à deux interactions statiques : l'une est le couplage aS.I de S avec le spin nucléaire I de l'alcalin, l'autre est l'interaction Zeeman avec le champ magnétique statique. Dans la première partie (publiée dans un article antérieur), nous avons envisagé le cas d'un champ faible (interaction hyperfine grande devant l'effet Zeeman). Nous envisageons maintenant le cas d'un champ très fort pour une valeur quelconque du spin nucléaire I de l'alcalin (2e partie) et le cas d'un champ quelconque pour la valeur 3/2 de I (3e partie). Nous calculons l'équation d'évolution de l'aimantation longitudinale et transversale électronique. Dans la 4e partie, nous généralisons nos résultats au cas où l'interaction responsable de la relaxation n'agit sur l'atome de Rb que par l'intérmédiaire de son spin électronique S. Cette étude est nécessaire pour l'interprétation des mesures expérimentales relatives à la détermination du temps de corrélation d'une interaction de ce type.
Ce travail de thèse a consisté en une étude expérimentale de l’effet des collisions binaires entre atomes dans l’état 2³P d’une part et entre 2³P et 1¹S d’autre part sur les populations des sous-niveaux magnétiques de cet état excité. Les états 2³P, 2³S et 1¹S sont impliqués dans le pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium et ces collisions sont soupçonnées d’en limiter l’efficacité. La caractérisation précise de l’effet des collisions a été réalisée par spectroscopie laser d’absorption sur la transition 2³P - 3³S, en utilisant une configuration de pompe-sonde doublement résonante. Une diode laser à 1083 nm, peuple sélectivement les sous-niveaux de l’état 2³P, ensuite sondés par une diode laser 706.5 nm, balayée sur toute la transition 2³P - 3³S. Nous présentons d’abord un calcul théorique des niveaux atomiques et des transitions optiques impliqués dans les isotopes de l’hélium. Puis nous décrivons les modèles simples d’équations d’évolution des populations, qui nous permettent d’interpréter les observations expérimentales, en considérant différents effets possibles, comme un changement interne du sous-niveau (mJ ou mF), de niveau J ou F, avec ou sans changement de la vitesse des atomes. À partir des spectres d’absorption enregistrés, nous identifions les populations des niveaux pompés ainsi que celles résultant de changements de niveaux. La première série de résultats de l’étude expérimentale des écarts de fréquence des raies d’absorption est en excellent accord avec les valeurs attendues, compte tenu des structures Zeeman en présence d’un champ magnétique, la structure hyperfine pour l’état 3³S de l’³He et du décalage isotopique ³He - ⁴He. Ensuite, les formes des spectres d’absorption ont été étudiées en fonction de l’intensité de pompe utilisée. Enfin nous décrivons l’étude des effets de collisions dans l’⁴He, à diverses pressions (0.13 à 4.27 mbar). À partir des valeurs des aires des raies d’absorption, nous mesurons les populations dans chaque niveau de l’état 2³P, pour finalement déduire les taux de transfert par collision comparés à la littérature et discutés dans la perspective des limitations de la technique du pompage optique par échange de métastabilité.
Une nouvelle méthode optique d'étude de la relaxation d'une vapeur alcaline orientée optiquement est décrite : le faisceau lumineux pompant Fp (destiné à préparer le système atomique dans un état hors de l'équilibre de Boltzmann) est distinct du faisceau détecteur Fd. Les caractéristiques de Fd (polarisation, profil spectral) déterminent la nature de l'observable Q que la mesure de la lumière absorbée sur Fd permet d'étudier. Fd est allumé en permanence et est choisi suffisamment peu intense pour ne pas perturber l'évolution du système sous le seul effet de la relaxation : il permet d'observer directement la courbe de relaxation de < Q > lors de la coupure de FP. Cette méthode présente de grands avantages par rapport à celle utilisant la séquence de relaxation dans le noir de Franzen. Elle permet aussi de réaliser des expériences nouvelles. Nous décrivons sa mise en œuvre sur une vapeur de Rb pour l'étude de la relaxation de < Sz >, et de celle de < S.I > en présence ou en l'absence d'une polarisation électronique globale < Sz >. La relaxation de < S.I > en l'absence de < Sz > peut s'étudier de la même manière pour d'autres alcalins que Rb et pour des mélanges d'alcalins. Ceci permet de mesurer le rapport des sections efficaces d'échange de spin entre atomes alcalins sans avoir à connaître la valeur absolue des tensions de vapeur. En particulier, nos mesures indiquent que les sections efficaces 85Rb-Cs, 87Rb-Cs et Cs-Cs sont égales à la précision de nos déterminations.
Dans cette thèse, nous étudions deux aspects de la dynamique d'impuretés atomiques interagissant avec des nanogouttes d'hélium superfluide (He) : la photo-excitation d'alcalins sur une nanogoutte et le dopage de nanogouttes contenant des tourbillons (vortex) quantiques avec des atomes de gaz rares. Nous utilisons la théorie de la fonctionnelle de la densité d'hélium ainsi que sa version dépendante du temps pour en faire la description théorique. Le premier aspect a été effectué dans le cadre d'une collaboration avec des expérimentateurs sur la photo-excitation du rubidium (Rb). Les alcalins sont une sonde très intéressante des gouttelettes d'hélium car ils résident dans leur zone de surface, où il a été prédit qu'un taux de condensation de Bose-Einstein de 100% était possible en raison d'une densité inférieure à celle de l'hélium superfluide. Nos simulations montrent que les états excités 5p et 6p désorbent à des échelles de temps très différentes, séparées par 2 ordres de grandeur (~100 ps et ~1 ps pour 5p et 6p respectivement). Ces résultats sont en accord avec ceux de l'expérience pompe-sonde à l'échelle femtoseconde qui a étudié la photodesorption d'atomes de Rb. Cependant, dans nos simulations, l'excitation vers 5pPi_{3/2} aboutit à un exciplexe RbHe lié à la surface, contrairement à l'expérience où RbHe est éjecté. L'introduction de la relaxation de spin de Pi_{3/2} à Pi_{1/2} nous a permis de résoudre ce désaccord, l'exciplexe RbHe ayant alors assez d'énergie pour désorber. Le deuxième aspect concerne une investigation purement théorique inspirée par les travaux récents de Gomez et Vilesov et al., où les tourbillons quantiques étaient visualisés en dopant les nanogouttes d'hélium avec des atomes d'argent, puis en les faisant atterrir en douceur (soft landing) sur un écran de carbone. Les images au microscope électronique montrent de longs filaments d'agrégats d'atomes d'argent qui s'étaient accumulés le long des coeurs des vortex. La formation de réseaux de tourbillons quantiques à l'intérieur de nanogoutelettes dopées par du xénon est également mise en évidence par diffraction de rayons X qui montrent des pics de Bragg caractéristiques d'agrégats de xénon piégés dans les coeurs des vortex. Nous avons d'abord étudié des collisions frontales entre un atome de xénon, héliophile, et une nanogoutte de 1000 héliums, et comparé les résultats à ceux d'une étude précédente sur le même processus avec le césium (Cs), qui est héliophobe. Dans le cas de Xe une «boule de neige» se forme autour de lui quand il entre dans la nanogoutte, et il lui faut beaucoup plus d'énergie qu'au Cs pour qu'il puisse en ressortir. Quand il le fait, il emporte des héliums avec lui, contrairement au Cs. Nous avons ensuite simulé des collisions entre Ar/Xe et des nanogouttes d'hélium superfluides pour différentes vitesses initiales et paramètres d'impact afin de déterminer leur section efficace de capture. Ces simulations ont ensuite été répétées pour des gouttelettes hébergeant un vortex quantique. On observe que l'impact des impuretés induit de grandes déformations de flexion et de torsion de la ligne de vortex, allant jusqu'à la génération d'ondes de Kelvin hélicoïdales qui se propagent le long du coeur du vortex. Ar/Xe est bien finalement capturé par le vortex, mais pas dans son coeur. Nous avons également découvert que l'existence d'un réseau de 6 lignes de vortex dont les noyaux sont remplis d'atomes d'Ar donne une rigidité accrue à la nanogoutte qui permet de stabiliser le système nano-goutte + vortex même à de faibles vitesses angulaires. Nos simulations impliquant des nanogouttes d'hélium comportant des tourbillons quantiques ouvrent la voie à d'autres investigations sur des nanogouttes hébergeant un ensemble de vortex, en collision avec de multiples impuretés.
Ce travail de thèse a consisté en une étude expérimentale de l’effet des collisions binaires entre atomes dans l’état 2³P d’une part et entre 2³P et 1¹S d’autre part sur les populations des sous-niveaux magnétiques de cet état excité. Les états 2³P, 2³S et 1¹S sont impliqués dans le pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium et ces collisions sont soupçonnées d’en limiter l’efficacité. La caractérisation précise de l’effet des collisions a été réalisée par spectroscopie laser d’absorption sur la transition 2³P - 3³S, en utilisant une configuration de pompe-sonde doublement résonante. Une diode laser à 1083 nm, peuple sélectivement les sous-niveaux de l’état 2³P, ensuite sondés par une diode laser 706.5 nm, balayée sur toute la transition 2³P - 3³S. Nous présentons d’abord un calcul théorique des niveaux atomiques et des transitions optiques impliqués dans les isotopes de l’hélium. Puis nous décrivons les modèles simples d’équations d’évolution des populations, qui nous permettent d’interpréter les observations expérimentales, en considérant différents effets possibles, comme un changement interne du sous-niveau (mJ ou mF), de niveau J ou F, avec ou sans changement de la vitesse des atomes. À partir des spectres d’absorption enregistrés, nous identifions les populations des niveaux pompés ainsi que celles résultant de changements de niveaux. La première série de résultats de l’étude expérimentale des écarts de fréquence des raies d’absorption est en excellent accord avec les valeurs attendues, compte tenu des structures Zeeman en présence d’un champ magnétique, la structure hyperfine pour l’état 3³S de l’³He et du décalage isotopique ³He - ⁴He. Ensuite, les formes des spectres d’absorption ont été étudiées en fonction de l’intensité de pompe utilisée. Enfin nous décrivons l’étude des effets de collisions dans l’⁴He, à diverses pressions (0.13 à 4.27 mbar). À partir des valeurs des aires des raies d’absorption, nous mesurons les populations dans chaque niveau de l’état 2³P, pour finalement déduire les taux de transfert par collision comparés à la littérature et discutés dans la perspective des limitations de la technique du pompage optique par échange de métastabilité.