Cette thèse porte sur la localisation faible de la lumière par un gaz d'atomes froids en présence d'un champ magnétique. Plus précisément, elle est consacrée à l'augmentation cohérente de l'intensité diffuse dans la direction arrière, due à l'interférence entre chemins de diffusion multiple rencontrant les mêmes diffuseurs dans l'ordre inverse. Nous présentons des résultats théoriques rendant compte d'observations expérimentales récentes sur la forme et l'amplitude du profil d'intensité. En particulier, nous montrons qu'un champ magnétique peut en augmenter l'amplitude si les atomes possèdent un niveau fondamental dégénéré, à l'opposé de ce qui se produit pour des diffuseurs classiques. Nous discutons l'intérêt de ce résultat en vue de la localisation forte de la lumière.
Cette thèse porte sur la localisation faible de la lumière par un gaz d'atomes froids en présence d'un champ magnétique. Plus précisément, elle est consacrée à l'augmentation cohérente de l'intensité diffuse dans la direction arrière, due à l'interférence entre chemins de diffusion multiple rencontrant les mêmes diffuseurs dans l'ordre inverse. Nous présentons des résultats théoriques rendant compte d'observations expérimentales récentes sur la forme et l'amplitude du profil d'intensité. En particulier, nous montrons qu'un champ magnétique peut en augmenter l'amplitude si les atomes possèdent un niveau fondamental dégénéré, à l'opposé de ce qui se produit pour des diffuseurs classiques. Nous discutons l'intérêt de ce résultat en vue de la localisation forte de la lumière.
Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes à N-corps quantiques extrêmement propres et versatiles qui permettent de revisiter dans un environnement contrôlé des concepts fondamentaux souvent issus de la matière condensée. Dans notre système expérimental, nous travaillons avec des gaz d'atomes de potassium 39, qui sont des bosons et qui offrent la possibilité de modifier à loisir les interactions inter-atomiques grâce à des résonances magnétiques de diffusion, ou résonances de Feshbach. Notre équipe s'intéresse particulièrement à la physique des gaz quantiques en basses dimensions et en présence de désordre. Dans un premier temps, nous présentons l’observation et l’étude de la propagation d'un soliton brillant, une onde de matière 1D en interaction attractive, à travers un potentiel désordonné créé à partir d’une figure de speckle optique. Ce travail constitue la première mise en évidence d’effets non-linéaires sur la propagation d’atomes dans un milieu désordonné. Les limites de l’expérience, notamment en terme d’imagerie et de contrôle des champs magnétiques, ont motivé le design et la construction d’une nouvelle enceinte à vide. La suite du manuscrit est dédiée à la description et la caractérisation du nouveau dispositif expérimental, de sa construction à son utilisation pour la production de condensats de Bose-Einstein. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la localisation d’Anderson d’atomes-froids en présence d’une force constante. La localisation d’Anderson est caractérisée par une suppression de la conductivité sous l’effet du désordre. Dans le cadre des atomes-froids, elle s’explique par la prise en compte de la nature ondulatoire des atomes pendant les processus de diffusion dans le milieu désordonné. Bien qu’à 1D la localisation soit toujours présente, des études théoriques prédisent qu’une force constante appliquée au système modifie de manière drastique les signatures de la localisation (décroissance algébrique de la fonction d’onde) et peut conduire à une délocalisation complète du système. L’étude expérimentale que nous avons menée confirme les prédictions théoriques.
Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes à N-corps quantiques extrêmement propres et versatiles qui permettent de revisiter dans un environnement contrôlé des concepts fondamentaux souvent issus de la matière condensée. Dans notre système expérimental, nous travaillons avec des gaz d'atomes de potassium 39, qui sont des bosons et qui offrent la possibilité de modifier à loisir les interactions inter-atomiques grâce à des résonances magnétiques de diffusion, ou résonances de Feshbach. Notre équipe s'intéresse particulièrement à la physique des gaz quantiques en basses dimensions et en présence de désordre. Dans un premier temps, nous présentons l’observation et l’étude de la propagation d'un soliton brillant, une onde de matière 1D en interaction attractive, à travers un potentiel désordonné créé à partir d’une figure de speckle optique. Ce travail constitue la première mise en évidence d’effets non-linéaires sur la propagation d’atomes dans un milieu désordonné. Les limites de l’expérience, notamment en terme d’imagerie et de contrôle des champs magnétiques, ont motivé le design et la construction d’une nouvelle enceinte à vide. La suite du manuscrit est dédiée à la description et la caractérisation du nouveau dispositif expérimental, de sa construction à son utilisation pour la production de condensats de Bose-Einstein. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la localisation d’Anderson d’atomes-froids en présence d’une force constante. La localisation d’Anderson est caractérisée par une suppression de la conductivité sous l’effet du désordre. Dans le cadre des atomes-froids, elle s’explique par la prise en compte de la nature ondulatoire des atomes pendant les processus de diffusion dans le milieu désordonné. Bien qu’à 1D la localisation soit toujours présente, des études théoriques prédisent qu’une force constante appliquée au système modifie de manière drastique les signatures de la localisation (décroissance algébrique de la fonction d’onde) et peut conduire à une délocalisation complète du système. L’étude expérimentale que nous avons menée confirme les prédictions théoriques.
Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes à N-corps quantiques extrêmement propres et versatiles qui permettent de revisiter dans un environnement contrôlé des concepts fondamentaux souvent issus de la matière condensée. Dans notre système expérimental, nous travaillons avec des gaz d'atomes de potassium 39, qui sont des bosons et qui offrent la possibilité de modifier à loisir les interactions inter-atomiques grâce à des résonances magnétiques de diffusion, ou résonances de Feshbach. Notre équipe s'intéresse particulièrement à la physique des gaz quantiques en basses dimensions et en présence de désordre. Dans un premier temps, nous présentons l’observation et l’étude de la propagation d'un soliton brillant, une onde de matière 1D en interaction attractive, à travers un potentiel désordonné créé à partir d’une figure de speckle optique. Ce travail constitue la première mise en évidence d’effets non-linéaires sur la propagation d’atomes dans un milieu désordonné. Les limites de l’expérience, notamment en terme d’imagerie et de contrôle des champs magnétiques, ont motivé le design et la construction d’une nouvelle enceinte à vide. La suite du manuscrit est dédiée à la description et la caractérisation du nouveau dispositif expérimental, de sa construction à son utilisation pour la production de condensats de Bose-Einstein. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la localisation d’Anderson d’atomes-froids en présence d’une force constante. La localisation d’Anderson est caractérisée par une suppression de la conductivité sous l’effet du désordre. Dans le cadre des atomes-froids, elle s’explique par la prise en compte de la nature ondulatoire des atomes pendant les processus de diffusion dans le milieu désordonné. Bien qu’à 1D la localisation soit toujours présente, des études théoriques prédisent qu’une force constante appliquée au système modifie de manière drastique les signatures de la localisation (décroissance algébrique de la fonction d’onde) et peut conduire à une délocalisation complète du système. L’étude expérimentale que nous avons menée confirme les prédictions théoriques.
Ce manuscrit présente les travaux d'étude de la cohérence de la lumière réalisés durant ma thèse à l'aide d'un système expérimental basé sur la technologie des atomes froids. La spécificité de notre groupe est l'étude et la caractérisation des comportement collectifs,classiques ou quantiques, dans l'interaction lumière matière. Dans ce but, Nous illuminons un nuage d'atomes froids à l'aide d'un faisceau laser afin d'observer au même instant les fonctions de corrélations temporelles d'ordre un g(1)(τ ) et d'ordre deux g(2)(τ ) (aussi connue sous le nom de fonction de corrélation de l'intensité). Pour une lumière chaotique polarisée et cohérente spatialement, g(2)(τ ) et relié au module de g(1)(τ ) via la formule g(1)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|2. Cette équation est communément appelée la relation de Siegert.Nous avons dans notre groupe effectué des études à basse saturation dans les régimes de diffusion simple et multiple. Nous nous concentrons dans ce travail à l'étude de la lumière diffusée à haut paramètre de saturation, pour différentes épaisseurs optiques. La première étape étant la caractérisation de la cohérence temporelle en régime saturée en diffusion simple, ouvrant la voie vers l'étude en régime de diffusion multiple. Sont détaillés dans ce manuscrit les étalonnages expérimentaux et identification des sources d'incertitude nous permettant la validation expérimentale de la relation de Siegert en régime saturé.Cette étude a permis identifier, pour un nuage d'atome macroscopique, la transition entre un régime de diffusion où les mécanismes de perte de cohérence de la lumière sont d'origine thermique à un régime ou ceux-ci proviennent de l'émission spontanée.
Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain.
Le nouveau projet expérimental décrit dans cette thèse a pour vocation l'étude de la localisation d'Anderson, un phénomène où la diffusion d'une onde, dans un milieu désordonné, est arrêtée par les interférences. Pour reproduire les conditions prévues dans le modèle de P.W. Anderson, on choisit d'étudier la diffusion à trois dimensions de la lumière dans un gaz d'atomes froids. En particulier, le dispositif devra permettre d'augmenter le désordre dans le nuage d'atomes froids jusqu'à observer la transition de phase entre un nuage conducteur pour la lumière et un nuage isolant. La mise à disposition d'un gaz d'atomes froids ayant la densité et les dimensions nécessaires à l'étude de la localisation fait l'objet de cette thèse. Ce travail de thèse comprend la conception et la construction d'un dispositif ayant pour ambition de piéger un maximum d'atomes. Le gaz d'atomes froids piégés est obtenu par le refroidissement Doppler, sur la transition ¹S₀ → ¹P₁, d'un jet d'ytterbium dans un piège magnéto-optique. Le jet atomique est caractérisé en fonction de la température du four. Au-dessus d'une température critique, la croissance de son débit diminue fortement dû à un changement de régime d'écoulement dans les micro-tubes de filtrage du four. Pour le refroidissement Doppler, on dispose d'un laser de 2,5 W à 399 nm. Le nombre d'atomes capturés par le piège magnéto-optique dépend du taux de chargement et des pertes. On optimise d'abord le taux de chargement jusqu'à 3,2 × 10⁹ atomes/s. Ensuite, on caractérise les sources de pertes qui sont, aux faibles densités atomiques, majoritairement dues aux collisions avec le gaz résiduel chaud ; et à plus haute densité, dues aux collisions assistées par la lumière entre atomes piégés. Notre meilleur résultat est un milliard d'atomes piégés avec une épaisseur optique trop faible pour générer de la diffusion multiple de la lumière dans le nuage. Finalement, une étape de refroidissement supplémentaire ainsi que des pistes d'amélioration sont brièvement présentées. Le refroidissement et la compression du nuage sur la transition d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ ont permis d'obtenir une épaisseur optique suffisante pour l'observation d'un cône de rétrodiffusion cohérente. Ce cône est une signature préliminaire encourageante vers la localisation d'Anderson.