Les états comprimés de spin sont des états intriqués qui ont intérêt pratique dans la métrologie quantique et l interféromètre atomique. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les schémas réalistes pour la production des états comprimés de spin utilisant l interaction cohérente entre les atomes froids dans un condensat de Bose-Einstein bimodale. En particulier, nous incluons les processus de décohérence tels que les pertes de particules, ainsi que la dynamique spatiale, qui limitent la compression maximale accessible dans une expérience réelle. Nous trouvons que l effet des pertes ne peut être négligé dès que la fraction de particules perdue est de l ordre du paramètre de compression. La solution analytique que nous trouvons, en utilisant des fonctions d onde Monte-Carlo, nous permet d effectuer une optimisation pour la compression de spin en ce qui concerne les paramètres de l expérience. D autre part, nous avons développé une méthode pour étudier la dynamique spatiale et de spin intriquées dans un condensat bimodale, ce qui permet un traitement complet analytique dans certains cas et peut être utilisée dans le cas général, sans nécessiter de calcules numériques lourds. Nous appliquons nos études théoriques à une expérience de compression de spin récemment réalisée avec succès sur une puce à atomes. Enfin, nous étudions la compression de spin dans un système lié mais différent d un BEC avec deux modes spatiaux couplés de façon cohérente par effet tunnel. Nous étudions ce problème avec un modèle dynamique à deux modes pour T << Tc et avec une approche multimode à l équilibre thermique pour T >= Tc.
Les états comprimés de spin sont des états intriqués qui ont intérêt pratique dans la métrologie quantique et l interféromètre atomique. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les schémas réalistes pour la production des états comprimés de spin utilisant l interaction cohérente entre les atomes froids dans un condensat de Bose-Einstein bimodale. En particulier, nous incluons les processus de décohérence tels que les pertes de particules, ainsi que la dynamique spatiale, qui limitent la compression maximale accessible dans une expérience réelle. Nous trouvons que l effet des pertes ne peut être négligé dès que la fraction de particules perdue est de l ordre du paramètre de compression. La solution analytique que nous trouvons, en utilisant des fonctions d onde Monte-Carlo, nous permet d effectuer une optimisation pour la compression de spin en ce qui concerne les paramètres de l expérience. D autre part, nous avons développé une méthode pour étudier la dynamique spatiale et de spin intriquées dans un condensat bimodale, ce qui permet un traitement complet analytique dans certains cas et peut être utilisée dans le cas général, sans nécessiter de calcules numériques lourds. Nous appliquons nos études théoriques à une expérience de compression de spin récemment réalisée avec succès sur une puce à atomes. Enfin, nous étudions la compression de spin dans un système lié mais différent d un BEC avec deux modes spatiaux couplés de façon cohérente par effet tunnel. Nous étudions ce problème avec un modèle dynamique à deux modes pour T << Tc et avec une approche multimode à l équilibre thermique pour T >= Tc.
Dynamiques de corrélations et d'intrication dans des gaz d'atomes froids Le problème quantique à N corps, notamment l’étude des propriétés dynamiques d’un système quantique composite est l’un des problèmes les plus durs de la physique moderne, car il y a peu de résultats analytiques et les méthodes numériques exactes requièrent des ressources numériques exponentielles en la taille du système. Dans cette thèse, nous avons étudié la mise en évidence de propriétés de corrélations et d’intrication pour des systèmes d’atomes magnétiques sur réseau, par exemple via la compression de spin. Pour cela nous avons mis au point de nouvelles méthodes numériques approchées, qui permettent de simuler des systèmes de grande taille. Cela nous a permis de proposer des protocoles qui permettent de générer de la compression de spin qui croit d’autant plus que le système est grand, ce qui a un double intérêt. D’une part, il s’agit d’un témoin d’intrication, qui permettrait donc de détecter de l’intrication dans un système d’atomes magnétiques, ce qui n’a pas encore été réalisée expérimentalement à ce jour. D’autre part la compression de spin présente un important intérêt métrologique, puisque les états comprimés permettent des mesures extrêmement précises de champs magnétiques par exemple, bien au-delà de ce qui est possible avec des atomes indépendants. Enfin, nous avons étudié la génération d’autres formes d'intrication, à savoir la compression à deux modes (de spin, ou d'impulsion), cette fois pour des systèmes d’atomes condensés. Connue dans le cas de condensats d’atomes de spin-1, nous avons proposé comment généraliser ce processus au cas de compression en impulsion, en utilisant un Hamiltonien modulé dans le temps. Les états intriqués ainsi produits sont potentiellement très intéressants dans la mesure à haute précision de forces inertielles.
Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale du phénomène de compression de spin dans un condensat de Bose-Einstein de ⁸⁷Rb, résultant d'une interaction non-linéaire provenant de collisions entre les deux états internes |F=1, m_F=-1 ≻ et |F=2, m_F=1 ≻ de l'état fondamental 5²S_{1/2}. Les atomes sont refroidis dans un piège magnéto-optique, puis piégés magnétiquement à l'aide de notre puce à atomes jouant le rôle de parois supérieure pour notre enceinte à vide. La puce est aussi utilisée pour émettre le champ radiofréquence permettant le refroidissement évaporatif conduisant à la condensation de Bose-Einstein, ainsi que le champ micro-onde qui réalise le transfert cohérent des atomes d'un état interne à un autre.L'ensemble atomique est décrit par le Hamiltonien one-axis-twisting qui contient un terme quadratique en la composante selon l'axe z du vecteur de spin atomique S_z. L'amplitude de cette interaction non-linéaire, initialement très faible, dépend des longueurs de diffusion des états internes considérés, et peut être grandement augmentée en réduisant le recouvrement des fonctions d'onde. C'est pourquoi le système est placé dans une configuration particulière (grand nombre d'atomes et piège anisotrope de type "cigare") pour laquelle les deux états vont alterner des phases de séparation et recombinaison spatiale. L'impact de cette dynamique spatiale sur l'interaction de champ moyen et la cohérence du système est analysé expérimentalement à travers l'étude du contraste et de la fréquence centrale d'un interféromètre de Ramsey.Théoriquement, lorsque les deux états sont séparés, la distribution de spin se transforme d'une distribution circulaire régie par le bruit de projection quantique, en une ellipse dont le petit axe est inférieur à la limite quantique standard, sous l'effet de l'interaction en S²_z. Ceci est vérifié expérimentalement en réalisant la tomographie de l'état atomique au moment où les deux modes internes se recombinent. Un paramètre de compression de spin ξ² = -1.3 ± 0.4 dB est ainsi obtenu pour 5000 atomes et un contraste de 90%. L'étude des différentes sources d'instabilités a permis d'identifier les pertes atomiques comme limitation principale de la compression de spin et du contraste de l'interféromètre.Ce travail s'inscrit dans le contexte de la métrologie quantique et représente un pas vers la production d'états comprimés en spin permettant la réalisation d'interféromètres atomiques fonctionnant sous la limite quantique standard. La question de la cohérence d'un condensat bimodal soumis à de nombreuses collisions élastiques et inélastiques est aussi adressée.
I) Dans notre travail sur les condensats, souvent motivé par des expériences, nous nous sommes intéressés à deux aspects. Le premier lié à la cohérence de phase du condensat et le deuxième lié au caractère multimode du champ atomique lorsque la température du système est non nulle. Nous avons étudié l'effet des pertes de particules sur le brouillage et les résurgences de phase par la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo. Nous avons étudié la dynamique spatiale et de phase dans un mélange de deux condensats par des méthodes analytiques et numériques à l'aide de l'équation de Gross-Pitaevskii. Nous avons proposé et mis en oeuvre une méthode stochastique pour échantillonner la distribution de Wigner d'équilibre d'un champ atomique à une température non nulle dans le cadre de l'approximation de Bogoliubov; ceci peut servir de point de départ pour une évolution dynamique de type champ classique qui, elle, va au-delà de l'approche de Bogoliubov. Par des simulations 3D de champ classique, nous avons ainsi montré la formation d'un réseau de vortex dans un condensat tournant, sans l'introduction de termes d'amortissement dans l'équation de Schrodinger non linéaire. II) Selon la méthode actuellement utilisée, l'hélium 3 est pompé par échange de métastabilité à faible pression (< 1mbar) ce qui nécessite un phase délicate de compression sans perte de polarisation avant que le gaz puisse être utilisé pour l'imagerie. Par une étude expérimentale et théorique systématique, nous avons montré qu'effectuer le pompage en présence d'un champ magnétique fort, de 1.5 Tesla, permet de supprimer des canaux de relaxation de la polarisation nucléaire et d'étendre ainsi le domaine d'applicabilité du pompage de l'hélium par échange de métastabilité à des pressions presque 100 fois plus élevées que celles usuelles, ce qui devrait simplifier considérablement l'étape de compression du gaz.
Dans ce manuscrit, nous presentons une etude experimentale du phenomene de compression de spin dans un condensat de Bose-Einstein de 87Rb, resultant d'une interaction non-lineaire provenant de collisions entre les deux etats internes ∣F=1,mF=−1> et ∣F=2,mF=1> de l'etat fondamental 52S1/2. Les atomes sont refroidis dans un piege magneto-optique, puis pieges magnetiquement a l'aide de notre puce a atomes jouant le role de parois superieure pour notre enceinte a vide. La puce est aussi utilisee pour emettre le champ radiofrequence permettant le refroidissement evaporatif conduisant a la condensation de Bose-Einstein, ainsi que le champ micro-onde qui realise le transfert coherent des atomes d'un etat interne a un autre.L'ensemble atomique est decrit par le Hamiltonien textit{one-axis-twisting} qui contient un terme quadratique en la composante selon l'axe z du vecteur de spin atomique Sz. L'amplitude de cette interaction non-lineaire, initialement tres faible, depend des longueurs de diffusion des etats internes consideres, et peut etre grandement augmentee en reduisant le recouvrement des fonctions d'onde. C'est pourquoi le systeme est place dans une configuration particuliere (grand nombre d'atomes et piege anisotrope de type cigare) pour laquelle les deux etats vont alterner des phases de separation et recombinaison spatiale. L'impact de cette dynamique spatiale sur l'interaction de champ moyen et la coherence du systeme est analyse experimentalement a travers l'etude du contraste et de la frequence centrale d'un interferometre de Ramsey.Theoriquement, lorsque les deux etats sont separes, la distribution de spin se transforme d'une distribution circulaire regie par le bruit de projection quantique, en une ellipse dont le petit axe est inferieur a la limite quantique standard, sous l'effet de l'interaction en Sz2. Ceci est verifie experimentalement en realisant la tomographie de l'etat atomique au moment ou les deux modes internes se recombinent. Un parametre de compression de spin xi2=−1.3pm0.4 dB est ainsi obtenu pour 5000 atomes et un contraste de 90%. L'etude des differentes sources d'instabilites a permis d'identifier les pertes atomiques comme limitation principale de la compression de spin et du contraste de l'interferometre.Ce travail s'inscrit dans le contexte de la metrologie quantique et represente un pas vers la production d'etats comprimes en spin permettant la realisation d'interferometres atomiques fonctionnant sous la limite quantique standard. La question de la coherence d'un condensat bimodal soumis a de nombreuses collisions elastiques et inelastiques est aussi adressee.
Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système
Compression et dynamique de spin dans une horloge à atomes piégés Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.