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.
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.
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.
L'experience qui fait l'objet de cette these s'inscrit dans un contexte d'evolution de la recherche en physique atomique vers le developpement de systemes miniaturises pour la generation et la manipulation d'ondes de matiere coherentes. Il s'agit de la realisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilue d'atomes de 87Rb pieges par le champ magnetique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituee de fils d'or de dimensions micrometriques, deposes sur un substrat de silicium par lithographie optique. Experimentalement, les atomes desorbes par un filament de rubidium sont charges et refroidis dans un piege magneto-optique dont le champ magnetique est cree par des bobines macroscopiques exterieures au systeme a vide. Le nuage est ensuite transfere dans un second piege magneto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnetique quadrupolaire est genere en partie par un fil microfabrique en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piege magnetique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnetique cree par un deuxieme fil en forme de Z. L'echantillon piege magnetiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par evaporation radio-frequence jusqu'a atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phenomene traduit une rugosite du potentiel de piegeage due a l'inhomogeneite de la densite de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit presente la realisation de cette experience dans son integralite, des motivations initiales aux resultats experimentaux obtenus, et decrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectues pour concevoir ce dispositif et parvenir a ces resultats.
L'expérience qui fait l'objet de cette thèse s'inscrit dans un contexte d'évolution de la recherche en physique atomique vers le développement de systèmes miniaturisés pour la génération et la manipulation d'ondes de matière cohérentes. Il s'agit de la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilué d'atomes de 87Rb piégés par le champ magnétique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituée de fils d'or de dimensions micrométriques, déposés sur un substrat de silicium par lithographie optique. Expérimentalement, les atomes désorbés par un filament de rubidium sont chargés et refroidis dans un piège magnéto-optique dont le champ magnétique est créé par des bobines macroscopiques extérieures au système à vide. Le nuage est ensuite transféré dans un second piège magnéto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnétique quadrupolaire est généré en partie par un fil microfabriqué en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnétique créé par un deuxième fil en forme de Z. L'échantillon piégé magnétiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par évaporation radio-fréquence jusqu'à atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phénomène traduit une rugosité du potentiel de piégeage due à l'inhomogénéïté de la densité de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit présente la réalisation de cette expérience dans son intégralité, des motivations initiales aux résultats expérimentaux obtenus, et décrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectués pour concevoir ce dispositif et parvenir à ces résultats.
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.
Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière (π) de la phase relative des composantes Zeeman θ = φ₊₁ + φ₋₁ - 2φ₀. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie.
Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.