Resume. Nous decrivons dans cet article les methodes de production et de detection d’un condensat de Bose-Einstein en phase gazeuse. Nous presentons ensuite quelques experiences caracteristiques de cette physique des systemes quantiques macroscopiques. Nous abordons egalement le probleme du refroidissement des gaz fermioniques et des melange bosons-fermions. Pour finir, nous discutons brievement les applications metrologiques des atomes ultra-froids.
Resume. Nous decrivons dans cet article les methodes de production et de detection d’un condensat de Bose-Einstein en phase gazeuse. Nous presentons ensuite quelques experiences caracteristiques de cette physique des systemes quantiques macroscopiques. Nous abordons egalement le probleme du refroidissement des gaz fermioniques et des melange bosons-fermions. Pour finir, nous discutons brievement les applications metrologiques des atomes ultra-froids.
Mélanges de superfluides Les atomes froids sont des outils uniques pour sonder la physique de la matière quantique. Hautement contrôlables, les gaz de Bose et de Fermi ultrafroids sont des systèmes idéaux pour la simulation quantique et pour explorer des manifestations spectaculaires des effets quantiques, comme la superfluidité. Avec des gaz froids de 6Li et de 7Li, nous avons produit le premier mélange de superfluides bosonique-fermionique, et étudié ses propriétés en initiant un contre-flot entre les nuages de Bose et de Fermi (mode dipolaire). La vitesse critique de superfluidité a été mesurée dans le crossover BEC-BCS et elle est trouvée proche de la vitesse du son dans le gaz de Fermi. Nous comparons nos mesures avec des prédictions théoriques récentes. En élevant la température du mélange, nous avons aussi observé une synchronisation inattendue entre les mouvements des deux nuages, interprétée comme un effet Zénon induit par la dissipation. Finalement, ce mélange de bosons et de fermions offre la possibilité unique de créer un piège homogène pour le gaz de Fermi. En ajustant finement les interactions, nous proposons d’utiliser la répulsion entre les bosons et les fermions pour compenser la courbure du piège harmonique pour les fermions. Pour des fermions présentant une polarisation de spin, nous prédisons théoriquement l’existence d’un superfluide avec une structure en “coquille” et fournissons les premières indications expérimentales de l’observation de ce superfluide topologiquement original.
Le domaine des « atomes froids » est en expansion. L’interaction lumière-matière permet de refroidir un gaz en dessous du microkelvin et de le piéger dans le vide. À partir des condensats de Bose-Einstein, on extrait des « lasers à atomes ». On sait aussi faire varier l’interaction entre les particules. Piégés dans des réseaux optiques avec des ondes stationnaires, les atomes ultra-froids, en particulier fermioniques, fournissent des systèmes modèles pour la physique de la matière condensée.L’utilisation d’atomes froids pour les horloges a permis d’obtenir un gain considérable sur l’exactitude, offrant des possibilités fascinantes de tests de physique fondamentale. Une nouvelle révolution s’annonce avec les horloges optiques.
Notre activité de recherche, commencée en 1988, comporte deux périodes. La première, jusqu'en 1995, fut consacrée à la théorie du refroidissement d'atomes par laser : nous avons effectué une étude entièrement quantique du refroidissement à gradient de polarisation, et grâce à la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo, reformulation stochastique de l'équation pilote que nous avons contribué à développer, nous avons pu reproduire les résultats expérimentaux à trois dimensions. La deuxième période, commencée en 1995, est consacrée à la théorie des gaz quantiques, en particulier des condensats de Bose-Einstein : nous avons clarifié le concept de phase d'un champ atomique et prédit une dynamique quantique non triviale de cette phase; nous avons trouvé des solutions par changement d'échelle décrivant l'évolution d'un gaz quantique dans un potentiel harmonique dépendant du temps; nous avons découvert le mécanisme de formation des réseaux de tourbillons quantiques à l'oeuvre dans les expériences du groupe de Jean Dalibard; nous avons étudié quelques propriétés classiques et quantiques des solitons d'ondes de matière et nous avons proposé une méthode ayant permis la première observation expérimentales de ces solitons; nous avons développé de nouveaux outils pour la théorie des gaz quantiques, comme des méthodes de champ classique, de Monte-Carlo quantique et une extension de la méthode de Bogoliubov aux quasi-condensats en dimensionalité réduite.
Ce manuscrit présente mes travaux de recherche depuis la fin de ma thèse début 2005. J'essaye en particulier de replacer mes recherches dans leur contexte, et d'expliquer mes choix scientifiques de façon chronologique. Les principaux résultats ont donne lieu a des publications. Celles-ci ont été écrites avec soin et c'est pourquoi, j'ai choisi de ne décrire les résultats principaux que de fa con succincte. Pour avoir plus de détails et pour retrouver les gures expérimentales, mes articles sont reproduits a la n de chaque chapitre et cites à l'endroit adéquat. J'ajoute parfois des parties plus techniques qui ne sont pas explicitées dans les publications. Le Chapitre 2 est une courte introduction au domaine des atomes ultrafroids, s'adressant a un lecteur non spécialiste. Cela permet de présenter mon domaine de recherche, c'est a dire l'utilisation des gaz d'atomes ultra-froids en tant que systèmes modèles pour l'étude des propriétés quantiques des systèmes a N-corps. Le chapitre 3 est consacre a mes recherches durant mon séjour postdoctoral de deux ans dans le groupe de T. Esslinger a l'ETH Zurich. J'ai participé a une série d'expériences utilisant une cavité de haute nesse pour détecter individuellement les atomes issus d'un gaz ultra-froids. J'explique la théorie de ce système quantique ouvert et sa résolution numérique qui permet de comprendre quantitativement le processus de mesure de la présence d'un atome dans la cavit e. Experimentalement, nous avons mis en œuvre une technique consistant a extraire deux faisceaux d'atomes en deux points distincts du nuage d'atomes pour avoir accès a la fonction de corrélation g1 en perturbant peu le système. Nous avons ainsi étudie la dynamique de la transition de Bose-Einstein de fa con beaucoup plus ne que cela n'avait et e 15 fait auparavant. Nous avons pu comparer la dynamique de croissance de la densite a la dynamique d'apparition de la cohérence. Nous avons ensuite observe le comportement de la fonction g1 dans le régime critique tr es proche de la condensation et extrait une valeur expérimentale de l'exposant critique associe a la longueur de cohérence. En n, nous avons mis en place un ascenseur a atomes constitue de deux lasers contra-propageants contrôles en phase. Le condensat de Bose-Einstein a ainsi et e transport e vers la cavite de haute nesse pour créer un système quantique couple atome-rayonnement dans un régime de couplage extrême et nouveau. Le chapitre 4 est d edi e a mes trois premières années (2007-2009) au laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique dans le groupe d'optique atomique. J'explique d'abord le d em enagement du syst eme exp erimental a Palaiseau ainsi que les differentes ameliorations apportees au piege magn etooptique 2D. Nous avons realise un condensat de Bose-Einstein de rubidium par une methode entierement optique. Notre laser de piegeage est un laser a bre dop ee erbium de puissance a 1565 nm. Cette longueur d'onde n'avait jamais et e utilisee auparavant dans des experiences avec des atomes ultrafroids. Nous avons utilise les specifcites de ce laser, et notamment le fort decalage lumineux de la transition optique pour demontrer une technique de tomographie du champ lumineux vu par les atomes. Cette compr ehension des d ecalages lumineux nous a guide vers une melasse tres fortement decalee (environ 200 MHz) pour charger les atomes le plus e cacement possible dans le piege optique. Nous avons montre qu'une nouvelle geometrie permet de contrôler independamment la profondeur du piege et sa raideur, et ainsi d'optimiser l' evaporation dans le piege optique. En n, nous avons utilise notre dispositif pour une premiere application qui consiste a faire rebondir les atomes sur une onde stationnaire dans le but d'allonger le temps d'interrogation dans les interferometres o u les atomes sont en chute libre. Le trampoline a atomes peut fonctionner dans un r egime quantique o u les interferences entre chemins quantiques permettent d'allonger le temps de levitation. Le chapitre 5 est consacre a mes recherches sur les gaz 2D et desordonnes qui se poursuivent encore aujourd'hui. Lorsque les interactions entre atomes sont negligeables, la physique est a un corps. Le phenomene de diffusion a et e mis en evidence et caracteris e pour la premi ere fois avec des atomes ultra-froids dans un potentiel conservatif. En allant vers le regime quantique ou la longueur d'onde de DeBroglie des atomes devient de l'ordre de la taille caracteristique des grains de desordre, on s'attend alors a voir des effets de localisation d'Anderson, li es aux interferences entre ondes de mati ere. Les conditions necessaires pour observer la localisation d'Anderson dans un gaz en expansion sont detaillees. Pour des gaz pieges, les interactions jouent un r^ole predominant a 2D et la transition de Bose-Einstein est alors rem- 16 placee par une transition super uide de type Berezinskii-Kosterliz-Thouless. Exp erimentalement, nous avons etudie cette transition via la distribution en impulsion qui permet de caract eriser les propri et es de coherence du gaz. Ensuite, nous avons observe quantitativement l'in uence du d esordre sur la transition super uide. Nous formons alors un systeme quantique complexe pour lequel il n'y a pas de pr ediction th eorique pr ecise et dont la physique est liee a celle de certains materiaux de matiere condensee. J'insiste sur le rôle de la longueur de correlation du desordre en la comparant aux longueurs caracteristiques du gaz. Dans le regime d'un desordre correle a longue portee, l'approximation de densite locale est valable dans le desordre et alors des predictions quantitatives sur le diagramme de phase du systeme sont possibles. En n, je propose des directions pour nos recherches futures. Le refroidissement du potassium par un m ethode enti erement optique est un d e experimental mais permettra d'avoir acces a des resonances de Feshbach larges et ainsi de controler la force des interactions. De plus, un champ magnetique effectif donnera un parametre de controle suppl ementaire sur le syst eme. Ces deux outils seront utiles non seulement pour l' etude de la physique a un corps mais aussi pour une etude plus pr ecise du gaz de Bose 2D en pr esence de d esordre et d'interactions. On cherchera notamment a mettre en evidence le diagramme de phase et a observer une phase isolante exotique, le verre de Bose.
Depuis plusieurs décennies un intérêt est né pour combiner deux systèmes quantiques pour former unsystème hybride quantique (SHQ) aux qualités qu’il serait impossible d’atteindre avec un seul des deuxsous-constituants. Parmi les systèmes quantiques, les atomes froids se distinguent par leur fort découplagede l’environnement, permettant un contrôle précis de leurs propriétés intrinsèques. En outre, les simulateursquantiques réalisés en piégeant des atomes froids dans des réseaux optiques présentent des propriétéscontrôlables (échelle d’énergie, géométrie,...) qui permettent d’étudier de nouveaux régimes intéressants enphysique de la matière condensée. Dans cette quête de phases quantiques exotiques (e.g., antiferromagnétisme),la réduction de l’entropie thermique est un défi crucial. Le prix à payer pour atteindre de si faiblestempérature et entropie est un long temps de thermalisation qui limite la réalisation expérimentale. La réductionde la période du réseau est une solution prometteuse pour augmenter la dynamique du système.Les SHQs avec des atomes froids offrent de riches perspectives mais requiert d’interfacer des systèmes quantiquesdans des états différents (solide/gaz) à des distances très proches, ce qui reste un défi expérimental.Le projet AUFRONS, dans lequel s’inscrit cette thèse, vise à refroidir un gaz d’atomes froids jusqu’aurégime de dégénérescence quantique puis de transporter et piéger ce nuage en champ proche d’une nanostructure.L’idée est d’obtenir un gaz d’atomes froids piégé dans un réseau bidimensionnel aux dimensionssublongueur d’onde, à quelques dizaines de nm de la structure. Un des objectifs est d’étudier les interactionsau sein du réseau mais également le couplage des atomes avec les modes de surface.Le travail réalisé durant cette thèse se décompose en une partie expérimentale et une partie théorique.Dans la première nous présentons le refroidissement d’atomes de 87Rb jusqu’au régime de dégénérescencequantique. La seconde partie est consacrée aux simulations théoriques d’une nouvelle méthode que nousavons implémentée pour piéger et manipuler des atomes froids à moins de 100 nm d’une nanostructure.Cette méthode, qui tire profit de la résonance plasmonique et des forces du vide (effet Casimir-Polder),permet de créer des potentiels sublongueur d’onde aux paramètres contrôlables. Nous détaillons ainsi lescalculs des forces optiques et des forces du vide que nous appliquons au cas d’un atome de 87Rb en champproche d’une nanostructure 1D.
Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.