Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Conception et construction d’une expérience de dysprosium ultrafroid : un nouveau cadre pour l’interaction lumière-spin Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Gaz de dysprosium ultrafroid dans des pièges dipolaires optiques : contrôle des interactions entre atomes fortement magnétiques Dans le cadre de cette thèse, j’ai étudié le refroidissement et le piégeage d’un gaz d’atomes de dysprosium dans des potentiels lumineux. Cet atome lanthanide possède dans son état électronique fondamental un moment magnétique très élevé, permettant l’exploration du domaine des gaz dipolaires ultrafroids. Ce caractère dipolaire enrichit la gamme des phénomènes physiques réalisés expérimentalement, en tirant avantage de la nature anisotrope et à longue-portée de l’interaction entre dipôles magnétiques. De plus, grâce à sa structure électronique riche, le Dysprosium offre la possibilité de créer un fort couplage entre le spin atomique et des champs lumineux, tout en gardant un taux de chauffage faible par rapport au cas usuel des atomes alcalins. Ceci ouvre la voie vers l’implémentation de champs de jauge artificiels, qui suscitent un vif intérêt dans le domaine des atomes froids dans un contexte de simulation quantique. Ce travail de thèse consiste en l’étude des mécanismes d’interactions dans un gaz de Dysprosium ultrafroid, allant des collisions assistées par la lumière à la relaxation dipolaire en passant par le refroidissement par évaporation. J’expose également la réalisation expérimentale d’un champ magnétique effectif en utilisant un déplacement lumineux dépendant du spin, permettant de contrôler optiquement la force des interactions atomiques au moyen d’une résonance de Feshbach.
Cette thèse porte sur des études expérimentales basées sur les interactions entre photons et atomes ultrafroids de dysprosium. La structure électronique du dysprosium est à l'origine de ses propriétés atomiques singulières, donnant accès à une phénoménologie physique diversifiée. Dans la première partie, nous donnons une description globale de notre expérience, et du protocole expérimental qui permet la production de gaz dégénérés de dysprosium bosonique. Une étape importante de notre séquence expérimentale porte sur l'utilisation de la raie d'intercombinaison à 626 nm pour le refroidissement Doppler d'atomes piégés. Nous montrons que la forte anisotropie de la polarisabilité de l'état excité est bénéfique pour le refroidissement évaporatif qui suit. Dans la deuxième partie, nous présentons des expériences qui utilisent le couplage entre les photons et le spin, inhérent à cette transition, pour manipuler les états internes des atomes et réaliser des états non-classiques de spin. Nous nous concentrons sur la réalisation d'états N00N, correspondant à la superposition d'états classiques ayant des aimantations opposées. Nous démontrons expérimentalement que la sensibilité aux champs magnétiques de ces états est proche de la limite de Heisenberg. La dernière partie est dédiée à l'effet Hall quantique, que nous étudions en encodant une dimension synthétique dans les états internes des atomes. Nous réalisons un système analogue aux niveaux de Landau à l'aide d'un couplage spin-orbite. Nous observons les propriétés du niveau de Landau fondamental : une dispersion supprimée, des états de bords chiraux, ainsi qu'une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale.
Sensibilité accrue par effet quantique et niveaux de Landau synthétiques avec des atomes de dysprosium ultrafroids Cette thèse porte sur des études expérimentales basées sur les interactions entre photons et atomes ultrafroids de dysprosium. La structure électronique du dysprosium est à l'origine de ses propriétés atomiques singulières, donnant accès à une phénoménologie physique diversifiée. Dans la première partie, nous donnons une description globale de notre expérience, et du protocole expérimental qui permet la production de gaz dégénérés de dysprosium bosonique. Une étape importante de notre séquence expérimentale porte sur l'utilisation de la raie d'intercombinaison à 626 nm pour le refroidissement Doppler d'atomes piégés. Nous montrons que la forte anisotropie de la polarisabilité de l'état excité est bénéfique pour le refroidissement évaporatif qui suit. Dans la deuxième partie, nous présentons des expériences qui utilisent le couplage entre les photons et le spin, inhérent à cette transition, pour manipuler les états internes des atomes et réaliser des états non-classiques de spin. Nous nous concentrons sur la réalisation d'états N00N, correspondant à la superposition d'états classiques ayant des aimantations opposées. Nous démontrons expérimentalement que la sensibilité aux champs magnétiques de ces états est proche de la limite de Heisenberg. La dernière partie est dédiée à l'effet Hall quantique, que nous étudions en encodant une dimension synthétique dans les états internes des atomes. Nous réalisons un système analogue aux niveaux de Landau à l'aide d'un couplage spin-orbite. Nous observons les propriétés du niveau de Landau fondamental : une dispersion supprimée, des états de bords chiraux, ainsi qu'une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale.
Non-gaussian spin states of ultracold dysprosium atoms Ce manuscrit de thèse est consacré à des expériences réalisées à partir de gaz d’atomes de dysprosium ultrafroids. Cet élément possède des propriétés particulières comme un grand moment angulaire J=8 ou bien un déplacement lumineux tensoriel significatif à proximité de résonance. Le dispositif expérimental est présenté dans son ensemble, du piégeage magnéto-optique au refroidissement par évaporation. La modulation spatiale permettant de contrôler la forme d’un piège optique est détaillée, ainsi que le rôle du déplacement lumineux tensoriel dans l’étape de refroidissement Doppler dans un piège optique. La seconde partie est dédiée à l’utilisation du déplacement lumineux tensoriel dans la préparation d’états comprimés et ‘surcomprimés’ ainsi que des états chats de Schrödinger. La sensibilité magnétique de ces états est mesurée à l'aide de séquences de Ramsey et permet de calculer le gain métrologique. La fonction de Husimi est reconstruite expérimentalement à partir de mesures de population dans différentes directions, ce qui permet aussi de déterminer la pureté des différents états préparés. Les états comprimés ont une sensibilité accrue, mais les états surcomprimés montrent une forte diminution du contraste des oscillations de Ramsey. L’utilisation de la distance de Hellinger permet de quantifier la différence entre deux états proches et ainsi donner une nouvelle définition du gain métrologique. La limite de Cramér-Rao est alors atteinte et la sensibilité des états surcomprimés est supérieure à celle des états comprimés. Enfin un système de 16 spins 1/2 indistinguables en interaction est réalisé. Dans une troisième partie nous présentons la mesure de l’intrication de paire pour les états d’un spin J à l’aide de probabilités d’absorption de photons, qui n’a pas été réalisée expérimentalement. En conclusion sont présentés deux projets où des degrés de libertés externes sont ajoutés à la dynamique des degrés de liberté internes. Dans le premier cas il s’agit d’un système analogue à l’Hamiltonien de Landau pour une particule chargée dans un champ magnétique, avec une dimension d’espace et une dimension synthétique. Dans le second cas, deux dimensions d’espace sont utilisées et la présence d’un déplacement lumineux dépendant de la position réalise un champ magnétique artificiel.
Cette thèse présente des études expérimentales réalisées avec des échantillons ultrafroids de dysprosium atomique. Les propriétés électroniques du dysprosium conduisent à un grand moment magnétique, un grand moment angulaire total J=8 dans l'état fondamental électronique et un riche spectre de transitions optiques fines avec des décalages lumineux tensoriels non négligeables. Notre travail repose sur l'utilisation de lasers accordés à proximité de telles transitions pour manipuler les états de spin atomiques. Nous commençons par décrire brièvement un ensemble d'expériences qui étudient l'intrication d'états non classiques préparés dans le niveau fondamental, en partitionnant explicitement le système via un couplage optique. L'objet principal de ce manuscrit est la réalisation de champs de jauge artificiels pour le mouvement d'atomes neutres. La simulation d'un système de Hall quantique est facilitée par le grand spin dans le niveau électronique fondamental, que nous interprétons comme un réseau synthétique avec 2J+1=17 sites. Ces sites du réseau sont couplés par des transitions Raman à deux photons à l'aide de faisceaux laser contrapropageants, où l'impulsion acquise dans un processus de saut est équivalente à une phase d'Aharonov-Bohm variant dans l'espace. En utilisant une combinaison de couplages de spin de différentes portées, nous préparons de manière effective un cylindre atomique avec un axe cyclique composé de trois sites et un champ radial uniforme, produisant un effet Hall quantique sur sa surface. Nous contrôlons un flux magnétique longitudinal supplémentaire qui perce le cylindre et réalisons l'expérience de pompe topologique de Laughlin, un processus de transport quantifié de particules lié à l'effet Hall quantique entier. Nous mesurons le premier nombre de Chern, un invariant topologique, et confirmons la topologie non triviale de notre système de particules en l'absence d'interaction. Nous présentons également des résultats expérimentaux préliminaires sur la physique de Hall quantique à quatre dimensions en couplant optiquement deux dimensions synthétiques encodées dans le spin atomique à deux dimensions spatiales. Nous décrivons ensuite théoriquement le rôle des interactions interatomiques sur le cylindre de Hall atomique et mettons en évidence leurs propriétés dans la dimension synthétique. Enfin, nous discutons une proposition pour la réalisation d'un champ de jauge artificiel pour le mouvement des atomes de dysprosium dans l'espace réel, induit par le couplage entre les degrés de liberté internes et externes.