Des jets atomiques lents sont des outils pratiques pour plusieurs applications: interféromètres atomiques, horloges atomiques, condensats de Bose-Einstein et expériences d’optique atomique. En ce qui concerne les horloges atomiques, ume fontaine continue [1] a l’avantage d’une moindre densite ́ atomique pour un rapport signal sur bruit donne ́ que leurs équivalentes pulsées, ce qui conduit a ̀ des déplacements collisionnels plus faibles. De plus, l’emploi d’une telle fontaine permet d’éliminer l’effet d’intermodulation associe ́ au bruit de phase de l’oscillateur local [2]. Afin de profiter pleinement de ces atouts, il nous faut augmenter le flux utile. Une manière de procéder est de charger la mélasse optique mouvante a ̀ partir d’un jet atomique lent, plutôt qu’a ̀ partir de la queue faible vitesse d’une vapeur a ̀ 10−8 mbar. Des sources d’atomes lents peuvent être générées par plusieurs méthodes. Le ralentissement Zeeman d’un jet thermique permet une source continue mais au prix d’un dispositif encombrant, alors que le ralentissement par balayage rapide d’une fréquence laser ne fournit que des paquets d’atomes. Ici nous proposons une solution bien plus simple: un piège magnéto-optique bi-dimensionnel (PMO-2D)produisant un jet continu lent (v ' 20 m/s). Toutefois la mise en oeuvre d’un PMO est souvent coûteuse du fait des optiques requises (cubes séparateurs de polarisation, lames quart d’onde et nombreux traitements anti-
Des jets atomiques lents sont des outils pratiques pour plusieurs applications: interféromètres atomiques, horloges atomiques, condensats de Bose-Einstein et expériences d’optique atomique. En ce qui concerne les horloges atomiques, ume fontaine continue [1] a l’avantage d’une moindre densite ́ atomique pour un rapport signal sur bruit donne ́ que leurs équivalentes pulsées, ce qui conduit a ̀ des déplacements collisionnels plus faibles. De plus, l’emploi d’une telle fontaine permet d’éliminer l’effet d’intermodulation associe ́ au bruit de phase de l’oscillateur local [2]. Afin de profiter pleinement de ces atouts, il nous faut augmenter le flux utile. Une manière de procéder est de charger la mélasse optique mouvante a ̀ partir d’un jet atomique lent, plutôt qu’a ̀ partir de la queue faible vitesse d’une vapeur a ̀ 10−8 mbar. Des sources d’atomes lents peuvent être générées par plusieurs méthodes. Le ralentissement Zeeman d’un jet thermique permet une source continue mais au prix d’un dispositif encombrant, alors que le ralentissement par balayage rapide d’une fréquence laser ne fournit que des paquets d’atomes. Ici nous proposons une solution bien plus simple: un piège magnéto-optique bi-dimensionnel (PMO-2D)produisant un jet continu lent (v ' 20 m/s). Toutefois la mise en oeuvre d’un PMO est souvent coûteuse du fait des optiques requises (cubes séparateurs de polarisation, lames quart d’onde et nombreux traitements anti-
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre du développement d'une horloge atomique à fontaine, FOCS-1, à l'Observatoire cantonal de Neuchâtel. FOCS-1 est un étalon de fréquence qui utilise un jet continu d'atomes de césium froids, en géométrie de fontaine. Depuis la découverte du refroidissement d'atomes par laser, les jets d'atomes froids et lents (quelques mK et quelques m/s) jouent un rôle encore plus important dans les expériences de haute précision, en particulier dans les horloges atomiques à fontaine. Dans ce contexte, l'approche à jet continu suivie par l'Observatoire cantonal est intéressante parce qu'elle permet de diminuer de façon considérable tous les effets indésirables liés à la densité, ainsi que l'effet Dick qui est inévitable dans les jets pulsés. Toutefois, pour profiter pleinement de l'avantage de cette approche, nous devons augmenter le flux utile, et une façon d'y parvenir est de collimater le jet atomique, ce qui fait l'objet de ce travail de recherche. Pour effectuer la collimation, nous avons fait appel aux techniques les plus récentes de refroidissement d'atomes par laser. Nous utilisons un laser puissant et très désaccordé pour créer un réseau optique de dimension 2 dans lequel nous avons successivement piégé et refroidit les atomes jusqu'au niveau de vibration fondamental. Ce réseau optique utilise une géométrie originale qui a l'avantage de combiner stabilité intrinsèque de phase, symétrie, et recyclage de la lumière. Nous avons expérimenté plusieurs mécanismes de refroidissement: Sisyphe, sideband Raman dégénéré par effet Zeeman, et sideband Raman dégénéré par effet Stark. Avec le refroidissement sideband Raman dégénéré par effet Zeeman, nous avons obtenu une excellente collimation (diminution de la température transverse de 60 mK à 1.6 mK) bien que l'efficacité de capture reste assez faible, environ 10%. D'un autre côté, le refroidissement Sisyphe s'est avéré très efficace, environ 100%, et nous avons montré qu'il peut être utilisé pour une étape de pré-collimation avant le refroidissement sideband. Finalement, nous avons mené une étude préliminaire du refroidissement sideband Raman dégénéré par effet Stark. Bien que nous n'ayons pas observé de collimation, nous avons identifié quelques pistes pour y parvenir. Ce refroidissement présente un grand intérêt pour les horloges atomiques car il prépare les atomes dans un état insensible au champ magnétique.
Un "laser à atomes" est un faisceau atomique extrait d'un condensat de Bose-Einstein, nuage d'atomes piégé et refroidi jusqu'à la dégénérescence quantique. Dans la perspective de futures applications de cette source atomique cohérente, par exemple à l'interférométrie atomique de précision, il est nécessaire de bien maîtriser les propriétés du faisceau. Certaines caractéristiques, en particulier, rendent les lasers à atomes bien différents des lasers photoniques, comme la présence d'interactions fortes entre les atomes, et leur sensibilité à la gravité. Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2. Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de 4×1010 atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de 7×109 atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.