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.
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 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'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.
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.
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.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.
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.