Enseignement : Des cages de lumière pour les atomesLe cours de cette année a porté sur la manipulation d’atomes par laser. La leçon inaugurale, présentée le 18 avril 2013, a fait le point sur les perspectives ouvertes par le refroidissement de gaz de particules par la lumière. Les six cours qui ont suivi ont été consacrés à la physique des réseaux optiques, formés d’ondes lumineuses stationnaires dans lesquelles le mouvement des atomes présente de fortes analogies avec celui d’électrons dans...
Enseignement : Des cages de lumière pour les atomesLe cours de cette année a porté sur la manipulation d’atomes par laser. La leçon inaugurale, présentée le 18 avril 2013, a fait le point sur les perspectives ouvertes par le refroidissement de gaz de particules par la lumière. Les six cours qui ont suivi ont été consacrés à la physique des réseaux optiques, formés d’ondes lumineuses stationnaires dans lesquelles le mouvement des atomes présente de fortes analogies avec celui d’électrons dans...
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.
Les propriétés exacerbées des atomes de Rydberg ont permis d'étendre les possibilités offertes par les atomes froids dans la création de gaz d'atomes en très forte interaction, avec des applications notamment en simulations quantiques, dans la physique à N corps ou dans la réalisation de portes quantiques grâce au phénomène de blocage dipolaire. L'utilisation des atomes de Rydberg froids est cependant actuellement limitée par le fait qu'il n'est pas possible de continuer d'appliquer les techniques expérimentales de manipulation optique avec les atomes à un électron actif. L’attention de la communauté des atomes de Rydberg froids s’est donc récemment portée sur les atomes à deux électrons actifs qui offrent la possibilités, une fois l’un des deux électrons excité vers un état de Rydberg, de disposer d’un second électron optiquement actif qu’il va être possible de manipuler par laser. L’objectif de cette thèse est d’étendre les techniques de manipulation optique aux atomes à deux électrons actifs excités dans des états de Rydberg, dans le cas de l’atome d’ytterbium. Elle présente d’une part la conception et l’assemblage du dispositif expérimental permettant l’obtention d’une source d’atomes de Rydberg froids d’ytterbium. A terme, ce montage permettra la manipulation optique de ces atomes de Rydberg. D’autre part, elle présente le développement d’un modèle numérique implémentant la théorie du défaut quantique à plusieurs voies pour permettre la détermination théorique du spectre énergétique de l’ytterbium ainsi que son comportement sous l’effet de perturbations extérieures.
Préparation de grands ensembles atomiques et applications en interface lumière-matière efficace Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant.
Ce manuscrit présente une série d'expériences réalisées sur des atomes de Rubidium piégés et refroidis grâce à des forces induites par laser. Lorsque le laser est très désaccordé par rapport aux résonances de l'atome, la force exercée est conservative et l'on parle de potentiels lumineux. Dans un premier temps, nous présentons un piège optique basé sur ce principe, créé par un laser à 1565 nm. Dans ce piège, les atomes sont refroidis par évaporation jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, dans le régime d'emballement. Dans ce régime la densité augmente au cours du refroidissement ce qui rend la procédure plus efficace. Nous présentons ensuite deux expériences dans lesquelles le condensat est placé dans un trampoline à atomes vertical. Ce trampoline résulte de l'application périodique d'un potentiel lumineux formé par une onde stationnaire verticale. Nous étudions deux régimes de fonctionnement de ce système : un régime classique dans lequel les atomes rebondissent périodiquement sur l'onde lumineuse, et un régime quantique dans lequel les ondes de matière atomiques sont en plus séparées par les pulses et suivent des trajectoires différentes qui se recombinent périodiquement, donnant lieu à des interférences. Dans les deux cas, notre système peut être utilisé comme gravimètre. Enfin, nous plaçons notre condensat dans un potentiel très confinant dans la direction verticale, ce qui le comprime dans une géométrie bidimensionnelle. Le condensat est ensuite soumis à un potentiel lumineux aléatoire réalisé par une figure de speckle. Nous étudions les propriétés de transport du nuage dans le plan, en présence du potentiel aléatoire.
Imagerie sub-longueur d'onde de nuages atomiques optiquement denses dans un microscope à gaz quantique Les atomes froids sont un système quantique très bien isolé de l’environnement. Depuis les années 80s, ils sont utilisés pour faire des capteurs atomiques très sensibles et pour approfondir la compréhension des phénomènes de la physique quantique. À de très basses températures, des régimes de gaz atomiques dégénérés peuvent être atteints. Ils sont caractérisés par un état quantique macroscopique qui peut être manipulé et contrôlé par lasers. En chargeant ces états quantiques bien déterminés dans des réseaux optiques il est possible d'étudier la dynamique de systèmes complexes à N corps qui ne peuvent être simulés numériquement. Les microscopes à gaz quantique limités par la diffraction ont ensuite émergé comme des outils pour sonder de tels systèmes et mesurer des corrélations de densité atomique entre les sites du réseau. En réduisant la taille des réseaux optiques jusqu’à des dimensions sub-longueur d’onde, il devrait être possible d’atteindre de nouvelles transitions de phase quantiques. De tels réseaux nécessitent le développement de techniques de piégeage et d’imagerie permettant de manipuler les atomes froids avec des résolutions spatiales sub-longueur d’onde.Dans ce travail de thèse, nous démontrons expérimentalement une imagerie sub-longueure d’onde d’atomes ultra-froids de Rubidium 87 dont nous expliquerons brièvement la production expérimentale. Cette imagerie utilise une méthode d’état excité habillé, initialement proposée pour générer des potentiels de piégeage sub-longueur d’onde. Pour être quantitatif sur notre imagerie par absorption de volumes sub-longueur d'onde, nous avons réinterprété et modifié une méthode de calibration des nombres d’atomes communément utilisée dans la communauté. Cette ré-interprétation repose sur une compréhension fine de l’interaction d’un atome multi-niveaux avec un champ cohérent saturant dans des conditions perturbées. En mesurant in situ la transmission d’un champ cohérent, nous montrons alors que la section efficace de diffusion à un seul atome diminue linéairement avec la densité optique et nous proposons une interprétation et un model pour cette dépendance. Après avoir calibré notre méthode d’imagerie sub-longueur d’onde qui permet d’atteindre des résolutions spatiales de 20 nm en quelques microsecondes, nous l’appliquons à la mesure super-résolue des sites d’un réseau très fortement compressés.
Ce manuscrit présente une série d'expériences réalisées sur des atomes de Rubidium piégés et refroidis grâce à des forces induites par laser. Lorsque le laser est très désaccordé par rapport aux résonances de l'atome, la force exercée est conservative et l'on parle de potentiels lumineux. Dans un premier temps, nous présentons un piège optique basé sur ce principe, créé par un laser à 1565 nm. Dans ce piège, les atomes sont refroidis par évaporation jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, dans le régime d'emballement. Dans ce régime la densité augmente au cours du refroidissement ce qui rend la procédure plus efficace. Nous présentons ensuite deux expériences dans lesquelles le condensat est placé dans un trampoline à atomes vertical. Ce trampoline résulte de l'application périodique d'un potentiel lumineux formé par une onde stationnaire verticale. Nous étudions deux régimes de fonctionnement de ce système : un régime classique dans lequel les atomes rebondissent périodiquement sur l'onde lumineuse, et un régime quantique dans lequel les ondes de matière atomiques sont en plus séparées par les pulses et suivent des trajectoires différentes qui se recombinent périodiquement, donnant lieu à des interférences. Dans les deux cas, notre système peut être utilisé comme gravimètre. Enfin, nous plaçons notre condensat dans un potentiel très confinant dans la direction verticale, ce qui le comprime dans une géométrie bidimensionnelle. Le condensat est ensuite soumis à un potentiel lumineux aléatoire réalisé par une figure de speckle. Nous présentons une étude préliminaire des propriétés de transport du nuage dans le plan, en présence du potentiel aléatoire.