Ce manuscrit decrit l'utilisation d'un nouveau type de potentiels en interferometrie atomique stern-gerlach. L'objet de l'interferometrie atomique est la realisation d'interferogrammes a partir d'ondes de matiere, des atomes d'hydrogene metastable (h2s) dans notre cas. En interferometrie atomique stern-gerlach, un degres de liberte de translation des particules est enchevetre avec leur moment magnetique quantifie ce qui classe cette technique dans la famille des interferometres de polarisation. Ils permettent d'obtenir des interferogrammes sensibles aux champs magnetiques. D'un autre cote, l'interferometrie atomique a connu un formidable essor ces dernieres annees grace a l'emergence des techniques de refroidissement par laser qui permettent de diminuer grandement la vitesse moyenne des particules. L'hydrogene ne pouvant beneficier de ces techniques, nous avons realise puis experimente un profil de champ magnetique se deplacant a des vitesses proches des vitesses atomiques, d'ou le terme comobile. Cela permet de disposer de faibles vitesses relatives des particules par rapport au champ et de palier en partie a l'impossibilite du refroidissement. Ces champs dependent de la position (x) et du temps (t) essentiellement par l'intermediaire de la variable x-ut et sont crees par l'utilisation de huit fils helicoidaux (de periode spatiale l) parcourus par des courants alternatifs de frequence (n). On a alors u=nl, ce qui rend la vitesse de deplacement du champ ajustable. La transmission d'un interferometre dans lequel ces champs sont utilises depend alors tres fortement de la vitesse de la particule incidente, formant alors un filtre interferentiel pour onde de broglie ce que nous avons experimentalement demontre. Nous avons aussi realise une version champ comobiles de l'experience historique de ramsey a champs oscillants separes. L'utilisation de courants de frequence variable permet d'engendrer toutes les dependances de la phase atomique en fonction de la vitesse des particules (dispersion). Une application au cas du chirp est donnee. Enfin, nous montrons que des champs comobiles polarises circulairement permettent d'etudier la phase topologique dans tous les regimes d'adiabaticite.
Ce manuscrit decrit l'utilisation d'un nouveau type de potentiels en interferometrie atomique stern-gerlach. L'objet de l'interferometrie atomique est la realisation d'interferogrammes a partir d'ondes de matiere, des atomes d'hydrogene metastable (h2s) dans notre cas. En interferometrie atomique stern-gerlach, un degres de liberte de translation des particules est enchevetre avec leur moment magnetique quantifie ce qui classe cette technique dans la famille des interferometres de polarisation. Ils permettent d'obtenir des interferogrammes sensibles aux champs magnetiques. D'un autre cote, l'interferometrie atomique a connu un formidable essor ces dernieres annees grace a l'emergence des techniques de refroidissement par laser qui permettent de diminuer grandement la vitesse moyenne des particules. L'hydrogene ne pouvant beneficier de ces techniques, nous avons realise puis experimente un profil de champ magnetique se deplacant a des vitesses proches des vitesses atomiques, d'ou le terme comobile. Cela permet de disposer de faibles vitesses relatives des particules par rapport au champ et de palier en partie a l'impossibilite du refroidissement. Ces champs dependent de la position (x) et du temps (t) essentiellement par l'intermediaire de la variable x-ut et sont crees par l'utilisation de huit fils helicoidaux (de periode spatiale l) parcourus par des courants alternatifs de frequence (n). On a alors u=nl, ce qui rend la vitesse de deplacement du champ ajustable. La transmission d'un interferometre dans lequel ces champs sont utilises depend alors tres fortement de la vitesse de la particule incidente, formant alors un filtre interferentiel pour onde de broglie ce que nous avons experimentalement demontre. Nous avons aussi realise une version champ comobiles de l'experience historique de ramsey a champs oscillants separes. L'utilisation de courants de frequence variable permet d'engendrer toutes les dependances de la phase atomique en fonction de la vitesse des particules (dispersion). Une application au cas du chirp est donnee. Enfin, nous montrons que des champs comobiles polarises circulairement permettent d'etudier la phase topologique dans tous les regimes d'adiabaticite.
L'interferometre atomique stern-gerlach se base sur l'interaction du moment magnetique des atomes avec un potentiel magnetique ; l'effet stern-gerlach correspond au couplage de ce moment a une variable de translation du centre de masse, et rend possible la separation spatiale du faisceau atomique lors de la superposition coherente. Deux applications utilisant ce dispositif sont presentees. La premiere concerne l'introduction de champs magnetiques d'interaction se deplacant a des vitesses de l'ordre des vitesses atomiques, ou champs comobiles. De tels champs ont permis de mettre en evidence un effet de filtre en vitesse correspondant a la selection de la vitesse resonnante (la vitesse atomique egale a la vitesse de deplacement du champ) ; on montre que la transmission de ce filtre interferentiel ne depend que du nombre de periodes spatiales du potentiel comobile. Une configuration a deux zones de champs comobiles, analogue a celle de ramsey dans le domaine des radio-frequences, a aussi permis de montrer qu'on peut augmenter la sensibilite aux changements de vitesse du dispositif. La seconde application concerne l'utilisation d'une succession de deux interferometres, ou double-interferometre. Les resultats obtenus s'interpretent comme lies a un effet zenon quantique, qui s'observerait idealement dans la limite d'une succession d'un nombre arbitrairement grand d'interferometres, correspondant alors a une situation d'observation quasi-continue du systeme. Le passage, pouvant s'operer continument, d'une configuration d'interferometre simple a double objet de phase a celle du double interferometre est par ailleurs etudie.
Ce travail relate la construction et les premiers resultats obtenus avec un interferometre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon metastable, de moment angulaire 2, prepare et selectionne en spin par lasers. Ses performances sont comparees a celles d'un interferometre du meme type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogene metastable, de moment angulaire 1. Pour realiser un interferometre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte a vide traversee par un jet d'atomes polarises puis analyses en spin apres une evolution dans une zone de champ magnetique bien controle. Ceci est realise par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associees a une optique fibree. Les transitions choisies etaient fixees autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnetique du coeur de l'interferometre est realisee par un circuit magnetique centre sur l'axe du jet atomique, protege par un blindage magnetique. En employant un detecteur sensible a la position, nous avons mis en evidence la grande sensibilite de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique a la place d'un jet effusif. Le signal interferometrique depend alors bien plus finement des details du profil magnetique. Cette propriete est mise en evidence par l'apparition dans les figures d'interferences de structures inattendues liees aux effets de phase geometrique traduisants l'evolution du spin 2 dans un champ magnetique conique. Ces resultats permettent de guider la reflexion sur l'application de cet interferometre, tant vers des experiences visant la nanolithographie, qu'a des etudes plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les etudes deja realisees sur l'hydrogene.
Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.
L'objet de cette these est le developpement de nouvelles methodes d'optique et d'interferometrie atomique utilisant l'action de champs magnetiques pulses sur un nuage d'atomes froids. Nous avons mis au point et optimise les performances d'un piege magneto-optique pour des atomes de cesium. Ce piege a ete utilise comme source dans une serie d'experiences decrites dans ce memoire. Le principe d'un dispositif d'analyse en polarisation du nuage atomique utilisant la force stern-gerlach est valide. La realisation au moyen de champs pulses d'une lentille pour focaliser ou collimater le nuage atomique est presentee. La derniere partie du memoire decrit la realisation experimentale d'un interferometre atomique de polarisation. Dans ce dispositif, on cree une superposition coherente des sous-niveaux magnetiques par basculement soudain du champ applique aux atomes et on obtient des franges en mesurant la population d'un sous-niveau donne pour diverses valeurs des parametres de l'objet de phase. Les proprietes de coherence du nuage atomique sont etudiees suivant plusieurs procedures (precession simple, echo de spin, double echo) et les perspectives d'application de notre appareil a la gravimetrie de precision sont presentees.
Ce memoire presente un ensemble d'etudes experimentales et theoriques sur l'interferometrie atomique stern-gerlach utilisant des atomes d'hydrogene metastables. Les themes abordes sont : 1) la determination de l'evolution du systeme atomique dont le mouvement externe est decrit par une onde libre : c'est la methode du lancer de rayons. Elle procede comme suit : la fonction d'onde initiale est decomposee en ondes planes sur lesquelles sont calculees les cartes de la polarisation atomique, dans l'espace et au cours du temps. Puis, ayant dresse la cartographie de cette polarisation, nous en deduisons la propagation de l'onde. Lorsque les conditions de validite du lancer de rayon sont reunies, nous avons un procede tres efficace pour determiner l'evolution de la fonction d'onde. 2) les effets lies a l'extension spatiale transverse du faisceau et a l'inhomogeneite transverse du potentiel magnetique. La prise en compte de ces inhomogeneites est essentielle a la comprehension de phenomenes dont on peut difficilement rendre compte dans un modele unidimensionnel. Nous montrons ainsi que l'inhomogeneite transverse est la cause principale de la decoherence de spin et du signal de l'interferometre en configuration mach-zehnder longitudinal. 3) nous traitons egalement du role de la chronologie des evenements en interferometrie atomique stern-gerlach. D'une part la manipulation de la statistique temporelle du faisceau atomique nous a permis d'ameliorer le contraste du signal interferentiel. D'autre part, nous avons pu, pour la premiere fois en optique atomique, realiser des experiences de choix differe mettant en jeu les fondements de la mecanique quantique. L'ensemble de ces resultats montre les possibilites de l'interferometrie atomique stern-gerlach en tant que puissant outil d'investigation de phenomenes aussi bien fondamentaux qu'appliques.
Depuis une dizaine d'années, le développement des techniques de refroidissement laser et de piégeage atomique a permis la réalisation d'une multitude de dispositifs et de capteurs basés sur les atomes froids. De la réalisation d'horloges atomiques très précises à la mesure des constantes fondamentales de la physique, ces dispositifs repoussent en permanence les limites des phénomènes quantiques explorés.Une technique très commune mise en pratique dans ces expériences implique l'interférométrie atomique, où la nature ondulatoire de la matière est prédominante proche de la température du zéro absolu. Les interféromètres atomiques atteignent un niveau de précision permettant de tester les principes et les prédictions fondamentales de la physique moderne, comme le principe d'équivalence faible de Einstein ou la détection des ondes gravitationnelles par exemple. Ces expériences nécessitent des durées longues pour les mesures interférométriques, de l'ordre de (ou supérieures à) quelques secondes, et des sources à ondes de matière optimisées, dont la dynamique est parfaitement contrôlée. Ces expériences nécessitent une préparation et une collimation contrôlée d'ensembles atomiques en expansion, avec des vitesses inférieures à 100 micromètres par seconde, ce qui correspond à des températures T < nK. Dans mon projet de nature théorique, nous nous attachons à développer l'ingénierie quantique des états de condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes alcalins remplissant ces conditions inhabituelles de température.Pour réaliser ce type d'expériences, les expérimentateurs ont recours à l'utilisation des puces atomiques, qui sont des surfaces compactes micro-structurées. L'usage de ces dernières introduit des problèmes du type interaction atome-surface. Pour s'assurer du bon déroulement de l'expérience, on doit transporter le condensat loin de la puce sans l'exciter. On présente un ensemble d'outils théoriques pour manipuler ces BECs. La dynamique des condensats est traitée en calculant l'évolution temporelle d'un paquet d'ondes 3D avec un grand nombre d'atomes en interaction, en résolvant numériquement l'équation de Gross-Pitaevskii (GPE). Une technique dite de «scaling», qui consiste à réadapter les grilles est utilisée pour traiter la dynamique quantique 3D des condensats en phase d'expansion, qui ont rapidement de grandes tailles. Cette technique est purement numérique. Une application est prévue pour l'expérience «Quantus» qui se déroule en micro-gravité dans la tour de Brême. De plus, différentes procédures semi-classiques ont été détaillées pour traiter le transport macroscopique cohérent des condensats sur un dispositif à puce atomique. Des approches classiques basées sur le principe de la rétro-ingénierie et du raccourci vers l'adiabaticité (STA) ont ensuite été détaillées. Les premiers calculs basés sur l'ingénierie inverse et la GPE nous ont permis de prédire des conditions de transport réalistes pour préparer un nuage atomique optimisé pour l'interférométrie atomique, avec des vitesses d'expansion dans le domaine de sous-10pk. Cependant, cette approche souffre de certaines limites en termes de contrôle de l'état final du système. Afin d'aller plus loin, un nouveau modèle utilisant la théorie du contrôle optimal (OCT) est détaillé et développé. Ces approches permettent de prédire les variations des paramètres de contrôle (champ magnétique temporel par exemple) à réaliser pour transporter de manière parfaitement maîtrisée le condensat loin de la puce atomique. Le contrôle optimal du transport des BECs, une méthode qui nous a permis de montrer qu'il était possible de préparer l'état fondamental du piège final lors d'un transport rapide.Dans une dernière étape, nous utilisons cette technique optimale pour collimater de manière optimale le BEC en utilisant le delta kick-collimation (DKC) pour assurer une séquence temporelle plus courte et pour préparer l'entrée d'onde de matière la plus froide pour l'étape d'interférométrie.