Une condition essentielle pour pouvoir aligner des atomes ou des ions par pompage optique est que la vitesse de pompage doive être comparable à la vitesse de relaxation dans l'état fondamental. Des temps de relaxation de l'ordre de [FORMULE] sec ont été mesurés sur quelques ions paramagnétiques, à l'état solide même à la température ordinaire : les temps les plus longs ont été trouvés dans le cas des ions dont l'état fondamental n'a pas de moment angulaire orbital. Pour les ions dont les spectres d'absorption dans le visible et dans l'ultraviolet sont les mieux connus, les forces d'oscillation correspondent à des valeurs de l'ordre de [FORMULE], ce qui est insuffisant. L'ion Europium divalent, d'état fondamental [FORMULE] possède une bande d'absorption vers 3 380 Å dont la force d'oscillation est de l'ordre de [FORMULE]. Ceci pourrait suffire pour obtenir une vitesse de pompage satisfaisante. Le manganèse divalent, état [FORMULE] phosphorescent dans le sulfure de zinc possède des bandes d'absorption d'une force d'oscillation de l'ordre de l'unité. Mais ces bandes sont situées dans l'ultraviolet extrême. Les auteurs sont en train de faire des essais pourobtenir des effets de pompageoptique dans Eu ++.
Une condition essentielle pour pouvoir aligner des atomes ou des ions par pompage optique est que la vitesse de pompage doive être comparable à la vitesse de relaxation dans l'état fondamental. Des temps de relaxation de l'ordre de [FORMULE] sec ont été mesurés sur quelques ions paramagnétiques, à l'état solide même à la température ordinaire : les temps les plus longs ont été trouvés dans le cas des ions dont l'état fondamental n'a pas de moment angulaire orbital. Pour les ions dont les spectres d'absorption dans le visible et dans l'ultraviolet sont les mieux connus, les forces d'oscillation correspondent à des valeurs de l'ordre de [FORMULE], ce qui est insuffisant. L'ion Europium divalent, d'état fondamental [FORMULE] possède une bande d'absorption vers 3 380 Å dont la force d'oscillation est de l'ordre de [FORMULE]. Ceci pourrait suffire pour obtenir une vitesse de pompage satisfaisante. Le manganèse divalent, état [FORMULE] phosphorescent dans le sulfure de zinc possède des bandes d'absorption d'une force d'oscillation de l'ordre de l'unité. Mais ces bandes sont situées dans l'ultraviolet extrême. Les auteurs sont en train de faire des essais pourobtenir des effets de pompageoptique dans Eu ++.
Les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion.
Nous avons mis au point des expériences sur le pompage optique et la résonance magnétique des vapeurs alcalines dans l'argon à des pressions supérieures à 20 mm Hg. Nous avons observé les résonances Zeeman de Na, K et Rb et les résonances hyperfines de Na et K. Nous avons étudié les intensités relatives des signaux en vue d'obtenir des informations sur la nature exacte du processus de pompage et sur la distribution des populations de spin dans les sous-niveaux de l'état fondamental. On doit tenir compte de deux facteurs principaux pour décrire le pompage. L'un est l'inégale absorption des composantes spectrales de la lumière se traduisant par des différences d'intensité qui peuvent produire un pompage optique à l'arrière de la cellule d'absorption. Les cas les plus simples ont reçu des solutions mathématiques rigoureuses. L'autre facteur est le comportement des atomes dans les états optiquement excités. Nous avons fait le calcul approché de l'intensité du signal d'après l'une ou l'autre des hypothèses suivantes : a) tous les spins sont distribués au hasard parmi les sous-niveaux des états P avant la réémission de lumière et : b) (d'après une suggestion de Dehmelt) seuls les spins électroniques sont distribués au hasard, les,spins nucléaires restant inchangés. Les résultats expérimentaux semblent vérifier l'importance de l'absorption sélective de la lumière. Les intensités des signaux concordent généralement avec l'hypothèse d'une distribution complètement au hasard dans les états excités, sauf par exemple dans le cas du sodium qui est nettement en désaccord avec cette interprétation. Pour le sodium, il semble possible de partir de lumière non polarisée et d'obtenir à l'arrière de la cellule d'absorption environ 90 % de la population dans l'état F = 2 (contre 62 % sans pompage). Si la lumière est polarisée circulairement, la population est de plus concentrée en 3 sous-niveaux magnétiques seulement.
Les technologies optiques quantiques utilisent la lumière pour transmettre des données et contrôler d'autres systèmes quantiques. Elles offrent des avancées radicales dans les communications ultra-sécurisées, les capteurs dépassant les limites classiques et la simulation de systèmes quantiques. Pour répondre aux exigences très élevées de ces applications, des systèmes à degrés de liberté quantiques multiples pouvant être interfacés à la fois à la lumière et à d'autres systèmes quantiques sont nécessaires. Ce type d'architectures hybrides n'est cependant pas réalisable actuellement à l'état solide, un point clé du point de vue technologique. Récemment, les cristaux dopés par des ions terres rares ont été identifiés comme une alternative prometteuse. En effet, à l´état massif, ces matériaux présentent des temps de cohérence optiques et de spins extrêmement longs, respectivement de l'ordre de la ms et de l'heure. Ces propriétés tout à fait uniques ont permis d'obtenir des effets quantiques remarquables, comme la téléportation lumièrematière à une longueur d'onde télécom (Nat. Photonics 2014). Transposées à l'échelle nanométrique, elles permettraient de construire des systèmes hybrides quantiques capables de fonctionnalités inédites dans le domaine des communications, de l'opto-électronique ou de la métrologie. Ce projet a pour objectif le développement de cristaux dopés terres rares nanostructurés possédant de longs temps de cohérence optiques et de spins. Ces matériaux seront obtenus sous forme de particules par une approche "bottom-up", permettant une grande flexibilité de morphologie, de taille et de composition. Ceci est nécessaire pour un contrôle très fin des processus de déphasage et le couplage à d'autres systèmes quantiques. La caractérisation se fera en particulier par spectroscopie otique à très haute résolution. Ce projet s'appuie sur la grande expérience de l'IRCP dans les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) et en particulier ses avancées récentes dans les nanocristaux (PRL 2013).