L'échelle naturelle de vitesse en refroidissement laser est la vitesse de recul communiquée à un atome initialement au repos lorsqu'il absorbe ou émet un photon. La méthode des résonances noires sélectives en vitesses permet de réduire la vitesse des atomes en-dessous de cette limite. Nous présentons les premiers résultats expérimentaux du refroidissement subrecul d'atomes d'hélium à trois dimensions par résonances noires. Nous obtenons des températures aussi basses que 180 nK par des movens tout optiques. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les prédictions d'un modèle théorique utilisant les statistiques de Lévy. Les atomes refroidis par résonances noires sont préparés dans une superposition cohérente de plusieurs paquets d'ondes de de Broglie. En utilisant le transfert adiabatique induit par laser nous avons réussi à transférer la population atomique dans un seul paquet d'onde. Nous avons démontré que le transfert fonctionne aussi à deux et trois dimensions et nous avons mesuré une efficacité de l'ordre de 90% à deux dimensions et de 75% environ à trois dimensions. Le passage adiabatique nous a permis de préparer un paquet d'onde ayant une dispersion en vitesses subrecul, ainsi qu'un état de spin et une direction choisis arbitrairement. Enfin, nous avons mis en évidence les états noirs sélectifs en vitesses sur une transition J = 1 → J = 0 et nous avons développé une méthode théorique simple qui permet de prédire la structure de ces états dans l'espace des impulsions.
L'échelle naturelle de vitesse en refroidissement laser est la vitesse de recul communiquée à un atome initialement au repos lorsqu'il absorbe ou émet un photon. La méthode des résonances noires sélectives en vitesses permet de réduire la vitesse des atomes en-dessous de cette limite. Nous présentons les premiers résultats expérimentaux du refroidissement subrecul d'atomes d'hélium à trois dimensions par résonances noires. Nous obtenons des températures aussi basses que 180 nK par des movens tout optiques. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les prédictions d'un modèle théorique utilisant les statistiques de Lévy. Les atomes refroidis par résonances noires sont préparés dans une superposition cohérente de plusieurs paquets d'ondes de de Broglie. En utilisant le transfert adiabatique induit par laser nous avons réussi à transférer la population atomique dans un seul paquet d'onde. Nous avons démontré que le transfert fonctionne aussi à deux et trois dimensions et nous avons mesuré une efficacité de l'ordre de 90% à deux dimensions et de 75% environ à trois dimensions. Le passage adiabatique nous a permis de préparer un paquet d'onde ayant une dispersion en vitesses subrecul, ainsi qu'un état de spin et une direction choisis arbitrairement. Enfin, nous avons mis en évidence les états noirs sélectifs en vitesses sur une transition J = 1 → J = 0 et nous avons développé une méthode théorique simple qui permet de prédire la structure de ces états dans l'espace des impulsions.
L'echelle naturelle de vitesse en refroidissement laser est la vitesse de recul communiquee a un atome initialement au repos lorsqu'il absorbe ou emet un photon. La methode des resonances noires selectives en vitesses permet de reduire la vitesse des atomes en-dessous de cette limite. Nous presentons les premiers resultats experimentaux du refroidissement subrecul d'atomes d'helium a trois dimensions par resonances noires. Nous obtenons des temperatures aussi basses que 180 nk par des moyens tout optiques. Les resultats experimentaux sont compares avec les predictions d'un modele theorique utilisant les statistiques de levy. Les atomes refroidis par resonances noires sont prepares dans une superposition coherente de plusieurs paquets d'ondes de de broglie. En utilisant le transfert adiabatique induit par laser nous avons reussi a transferer la population atomique dans un seul paquet d'onde. Nous avons demontre que le transfert fonctionne aussi a deux et trois dimensions et nous avons mesure une efficacite de l'ordre de 90% a deux dimensions et de 75% environ a trois dimensions. Le passage adiabatique nous a permis de preparer un paquet d'onde ayant une dispersion en vitesses subrecul, ainsi qu'un etat de spin et une direction choisis arbitrairement. Enfin, nous avons mis en evidence les etats noirs selectifs en vitesses sur une transition j = 1 j = 0 et nous avons developpe une methode theorique simple qui permet de predire la structure de ces etats dans l'espace des impulsions.
Ce mémoire de thèse présente une nouvelle méthode de mesure de la température d'atomes ultra-froids à-partir de la fonction d'autocorrélation spatiale des paquets d'ondes atomiques. Nous déterminons ainsi la température d'atomes d'hélium 4 métastables refroidis par résonances noires sélectives en vitesse, une méthode qui refroidit les atomes en dessous de la température de recul liée à l'émission ou l'absorption d'un seul photon par un atome au repos. Un atome ainsi refroidi est préparé dans une superposition cohérente de deux paquets d'ondes d'impulsions moyennes opposées, initialement superposés et qu'on laisse ensuite se séparer. En mesurant la décroissance temporelle de leur recouvrement, nous avons accès à la transformée de Fourier de la distribution d'impulsion des atomes. Nous pouvons ainsi mesurer des températures aussi basses que 5 nK, soit 800 fois plus petites que la température de recul. Par ailleurs nous étudions en détail la forme exacte de la distribution d'impulsions et comparons les résultats expérimentaux avec deux approches théoriques différentes : une simulation Monte Carlo quantique et un modèle analytique du refroidissement basé sur les statistiques de Lévy. Nous comparons la forme de raie calculée avec les résultats des simulations puis confrontons séparément chacune des approches théoriques aux données expérimentales. Un très bon accord est trouvé entre tous ces résultats. Nous démontrons ainsi la validité du modèle statistique du refroidissement subrecul et, pour la première fois, mettons en évidence expérimentalement certaines de ces caractéristiques, comme l'absence d'état stationnaire, l'autosimilarité et le caractère non lorentzien de la distribution d'impulsion des atomes refroidis, tous ces aspects étant en relation directe avec le caractère non ergodique du refroidissement subrecul.
Ce memoire presente de nouvelles approches experimentales et theoriques du refroidissement laser sub-recul par resonances noires. L'energie de recul est l'energie cinetique communiquee a un atome initialement immobile par l'absorption ou l'emission d'un seul photon. C'est une echelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la premiere fois en 1988, sur un jet d'helium metastable, grace a la methode des resonances noires selectives en vitesse. Ce travail porte sur les developpements de cette methode, d'une part dans le regime des temps longs, d'autre part a plusieurs dimensions. Le nouveau schema experimental repose sur la realisation d'un piege laser d'atomes d'helium metastables ultrafroids, a partir duquel on lache en chute libre le nuage d'atomes pieges, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnetiques ont ete compenses a un milligauss pres par des experiences d'effet hanle mecanique. Les premieres experiences effectuees avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantieme de l'energie de recul (100 nanokelvins) a une dimension. La limite du recul a deux dimensions a pu etre franchie pour la premiere fois (un vingtieme de l'energie du recul soit 200 nanokelvins). Sur le plan theorique, on a developpe un nouveau type de simulations monte-carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la resolution des equations de bloch optiques. On a pu explorer ainsi le regime des temps longs. Ces simulations ont suggere une approche statistique completement nouvelle du probleme, basee sur les statistiques de levy recemment introduites pour etudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture predisant une decroissance de la temperature atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit egalement des resultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le role de la dimensionnalite
Ce mémoire présente de nouvelles approches expérimentales et théoriques du refroidissement laser sub-recul par résonances noires. L'énergie de recul est l'énergie cinétique communiquée à un atome initialement immobile par l'absorption ou l'émission d'un seul photon. C'est une échelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la première fois en 1988, sur un jet d'hélium métastable, grâce à la méthode des résonances noires sélectives en vitesse. Ce travail porte sur les développements de cette méthode, d'une part dans le régime des temps longs, d'autre part à plusieurs dimensions. Le nouveau schéma expérimental repose sur la réalisation d'un piège laser d'atomes d'hélium métastables ultrafroids, à partir duquel on lâche en chute libre le nuage d'atomes piégés, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnétiques ont été compensés à un milligauss près par des expériences d'effet Hanle mécanique. Les premières expériences effectuées avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantième de l'énergie de recul (100 nanokelvins) à une dimension. La limite du recul à deux dimensions a pu être franchie pour la première fois (un vingtième de l'énergie du recul, soit 200 nanokelvins) Sur le plan théorique, on a développé un nouveau type de simulations Monte-Carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la résolution des équations de Bloch optiques On a pu explorer ainsi le régime des temps longs. Ces simulations ont suggéré une approche statistique complètement nouvelle du problème, basée sur les statistiques de Lévy récemment introduites pour étudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture prédisant une décroissance de la température atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit également des résultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le rôle de la dimensionnalité.
Dans ce mémoire sont présentées plusieurs méthodes de refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège optique à faible taux de diffusion, le piège dipolaire croisé. Le piège est constitué de deux faisceaux focalisés croisés issus d'un laser Nd:YAG. Les atomes, dans l'un des sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental, restent confinés au croisement des foyers pendant une à deux secondes. Les densités accessibles sont élevées 10^12 atomes/cm3 environ). Pour manipuler ces atomes, on utilise la transition Raman stimulée à deux photons entre les états hyperfins. Une nouvelle forme d'impulsion très efficace reposant sur un transfert adiabatique entre ces niveaux a été mise au point au cours de ce travail. Cette impulsion est utilisée dans toutes les expériences de refroidissement décrites dans cette thèse. Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau. Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).
Le but de ce COUTS est de présenter les processus physiques 11 la base du conuôle de la position et de la vitesse des atomes avec des faisceaux laser.Le controle de la vitesse consiste en le refroidissement du mouvement du cenue de masse atomique, donc en un confinement des atomes dans l'espace des impulsions.Le pitgeage est un confinement des atomes dans l'espace des positions.La présentation adopttc repose sur le concept de "fon::es radiatives".Cc concept intervient lorsqu•on tlimine adiabatiquement les degrés de libertt atomiques internes, donc lorsque ceuxci relaxent en un temps COUrt devant les temps d•tvolution typiques de la vitesse atomique (voir § 1).Elle a l'avantage de corKIuîre il; une analyse simple du refroidissement et de donllCr accès rapidement au~ lois d'échelle importantes.Nous ulÎlisons le concept de forçes radiatives pour analyser le modèle le plus simple de refroidissement et de pitgeage, dan s le §2 (cas d'un ttat atomique fondamental de moment angulaire nul).Le mtcanisme de base eSt l'effet Doppler, et les !!nergies cinttiques les plus basses accessibles sont de l"ordrc de !Ir, où r est le \aux d'!!mission spontan!!e de l'!!tat excit!!.Expérimentaleme nt, des températures beaucoup plus basses que celles préditeS par le modèlc Doppler prtc&len t ont tt!! observtes.Un des mtcanismes de refroidissement mis en jeu est l'effet "Sisyphe", que nous ttudions au §3 sur un modèle simple 11 une d imension, qui a le mérite de donner l'ordre de grnrKIeur des résultats expérimentaux.Les !!nergies <:intriques les plus basses obtenues sont de l'ordre de l'énergie de recul (lIkd' 1 2M, où IIk L est l'impulsion d'un photon laser et M la masse d 'un atome.Finalement, au §4, nous abordons un domaine actuellement en essor, celui de l'optique atomique, en l'illusuanl par des réalisations de miroirs, de cavités et lames stparatrices pour ondes de matière. LES FONDEMENTS: DU QUANTIQUE AU SEMI-CLASSIQUENous donnons d'abord une description quantique, que l'on peut considtrer comme exacte, des problèmes de refroidissement.NolIS monuons ensuite comment obtenir d'utiles appro:<.imationssemi-<:lassiques 11 partir des 6quatÎons entièremenl quantiques.