L’atome de cesium n’a pu etre condense qu’en 2002. Il fallut recourir a un piege dipolaire pour pouvoir pieger les atomes dans leur etat fondamental, dans lequel les processus de collisions a deux corps sont supprimes. Notre strategie, pour parvenir a amener des atomes de cesium au seuil de degenerescence quantique, consistait a charger un piege dipolaire tres confinant a partir d’un piege magnetique. Apres coupure de ce dernier, le piege dipolaire obtenu, « chaud » mais dense, permettrait un refroidissement evaporatif rapide tout en limitant les recombinaisons a trois corps. Des simulations des processus de chargement et d’evaporation prenant en compte differents phenomenes ont ete developpees. Elles font apparaitre differents schemas pouvant mener a la condensation en un temps de l’ordre de la seconde avec quelques dizaines de milliers d’atomes. Le dispositif experimental existant precedemment a donc ete adapte a cette nouvelle strategie. Les principales modifications ont ete l’amelioration du systeme de vide et de la methode de transfert par faisceau pousseur, et la mise en place d’un piege dipolaire simple ou croise. Les performances du chargement d’un piege simple par piege magnetique ont ete comparees a celles obtenues a partir d’un chargement par melasse. Elles s’averent meilleures et le modele developpe permet une description correcte des resultats obtenus. Dans le cas d’un piege dipolaire croise, les resultats sont en revanche en deca de nos previsions. Un chargement par MOT comprime donne des resultats similaires, et c’est a partir d’un chargement par melasse que les conditions les plus favorables sont atteintes.
L’atome de cesium n’a pu etre condense qu’en 2002. Il fallut recourir a un piege dipolaire pour pouvoir pieger les atomes dans leur etat fondamental, dans lequel les processus de collisions a deux corps sont supprimes. Notre strategie, pour parvenir a amener des atomes de cesium au seuil de degenerescence quantique, consistait a charger un piege dipolaire tres confinant a partir d’un piege magnetique. Apres coupure de ce dernier, le piege dipolaire obtenu, « chaud » mais dense, permettrait un refroidissement evaporatif rapide tout en limitant les recombinaisons a trois corps. Des simulations des processus de chargement et d’evaporation prenant en compte differents phenomenes ont ete developpees. Elles font apparaitre differents schemas pouvant mener a la condensation en un temps de l’ordre de la seconde avec quelques dizaines de milliers d’atomes. Le dispositif experimental existant precedemment a donc ete adapte a cette nouvelle strategie. Les principales modifications ont ete l’amelioration du systeme de vide et de la methode de transfert par faisceau pousseur, et la mise en place d’un piege dipolaire simple ou croise. Les performances du chargement d’un piege simple par piege magnetique ont ete comparees a celles obtenues a partir d’un chargement par melasse. Elles s’averent meilleures et le modele developpe permet une description correcte des resultats obtenus. Dans le cas d’un piege dipolaire croise, les resultats sont en revanche en deca de nos previsions. Un chargement par MOT comprime donne des resultats similaires, et c’est a partir d’un chargement par melasse que les conditions les plus favorables sont atteintes.
Au début de mon travail de thèse dans l'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton, l'intérêt du groupe était, d'un côté, la préparation et la manipulation des molécules de Césium créées via photoassociation, et de l'autre, à la préparation d'un échantillon de Césium à basse température et de grande densité dans un piége dipolaire. Initialement, j'ai participé aux études de realization du piége dipolaire atomique, et ensuite aux études de préparation et de manipulation des molécules. Dans la période entre Novembre 2006 jusqu'a Octobre 2008 j'ai développé une série de techniques différentes pour le chargement d'un piége dipolaire à partir d'un réservoir atomique, réalisé soit par un piége magnétique, soit par un piége du type 'Dark-SPOT', soit par C-MOT (piége magnéto-optique comprimé) et un mêlasse optique. Au commencement du mon travail, un BEC de Césium a été rapporté un seule fois [Web03], après des années des efforts de plusieurs équipes [Sod98, Boir98, Thom04]. De plus, l'intérêt sur l'atome de Césium a augmenté à cause des expériences liées à la formation de trimères de Césium et des résonances du type 'Efimof' [Lee07, Knoo08]. La stratégie sur laquelle notre approche pour le chargement du piége dipolaire était basée, est discutée dans une publication rédigée avant mon intégration au sein d'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton [Comp06]. Il s'agit d'un chargement à partir d'un réservoir obtenu par un piége magnétique. L'objectif de cette proposition était la préparation d'un échantillon ultra froid avec un dispositif expérimental beaucoup plus simple que celui de la référence [Web03]. De plus, la proposition [Comp06] prédit la préparation d'un condensat de Césium en un temps beaucoup plus court que les temps de préparation rapportée dans la référence [Web03]. L'étude de la réalisation expérimentale de cette proposition théorique a déjà commencé, dans le cadre de la thèse de G.Stern [Stern08]. J'ai continué cette étude et j'ai réalisé plusieurs études avec différents types de réservoir (Dark-SPOT, C-MOT) et aussi de un type de chargement différent qui est basé sur le refroidissement par bandes latérales (Raman-Sideband Cooling). Toutes les piéges préparés par ces méthodes, avait une densité inférieure a celle nécessaire pour la réalisation d'un processus de refroidissement évaporatif, qui est nécessaire pour la réalisation d'un condensat. Les problèmes techniques que nous avons rencontrés vers Mai 2008 (destruction de vide), nous ont conduit d'arrêter les études de refroidissement des atomes, et de s'orienter vers les études de manipulation des molécules de Césium. Pendant cette période, l'équipe avait beaucoup progressé dans manipulation des molécules de Césium, et plus spécifiquement sur la réalisation du refroidissement du degré de liberté qui correspond à la vibration des molécules. La nouvelle technique que l'équipe avait introduit et qui est rapporté à la référence [Vit08], permet le refroidissement de la vibration des molécules de Césium par un laser femtoseconde faconné, avec un processus de pompage optique [Kast66]. Mon objectif dans la thématique de la manipulation des molécules froides, était d'étudier la généralisation de cette technique. Par example le transfert de la population moléculaire dans un seul état vibrationnel pré – sélectionné a été observé. Ce résultat est discuté dans la référence [Sof09]. Une autre généralisation est la réalisation du refroidissement vibrationnel et du transfert de la population moléculaire avec une source de lumière non cohérente, résultat qui est discuté dans la référence [Sof09b]. Une autre généralisation importante est le refroidissement de la rotation moléculaire. Cette étude théorique est discutée dans les articles de l'équipe auxquels j'ai participé [Vit09, Sof09, Sof09c], et les études expérimentales préliminaires dans la référence [Fio09]. Finalement, la généralisation de la technique pour le refroidissement vibrationnel des molécules heteronucleaires est discuté dans le dernière chapitre de ma thèse. Le document de ma thèse est donc divisé en deux parties, dans chacune d'elles je discute en détails ma contribution scientifique dans l'équipe Atomes et Molécules Froides du Laboratoire Aimé Cotton.
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.
Depuis plus de 20 ans, des avancées majeures ont été réalisées dans la formation, le refroidissement et le piégeage de molécules dipolaires. Il est maintenant possible de former des molécules dans un état quantique bien défini à des températures de l'ordre de quelques centaines de nanokelvins. Le prochain défi expérimental est d'atteindre des régimes de dégénérescence quantique pour créer des condensats de Bose-Einstein ou des gaz de Fermi dégénérés moléculaires, impliquant d'obtenir des densités plus élevées et d'atteindre des températures plus basses. Cependant, ces conditions sont difficiles à obtenir car de nombreuses molécules sont détruites ou perdues lors de collisions à deux corps ou trois corps. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes d’écrantage pour supprimer ces processus de pertes. Ces méthodes exploitent les propriétés à longue portée de l'interaction dipôle-dipôle, qui peuvent être contrôlées par l'application de champs externes. En utilisant un formalisme quantique indépendant du temps, basé sur les coordonnées de Jacobi ou sur les coordonnées hypersphériques, je montre que l'utilisation d'un champ électrique statique est efficace pour réduire les pertes à deux corps et à trois corps dans le cas de molécules préparées dans leur premier état rotationnel excité. Je démontre également que les pertes à deux corps peuvent être fortement réduites pour des molécules initialement préparées dans leur état rotationnel fondamental en utilisant un champ micro-onde. Cette dernière méthode offre des outils pour contrôler la partie réelle et imaginaire de la longueur de diffusion molécule - molécule, grandeur clé qui caractérise la stabilité et la contrôlabilité d’un condensat de Bose-Einstein. Enfin, j'applique le code numérique à trois corps que j'ai développé pour étudier des collisions réactives atome - diatome. Ce code permettra également d'explorer des phénomènes de recombinaison à trois corps et de dissociation induite par collisions. Toutes ces méthodes laissent entrevoir un large éventail d'applications pour les molécules ultra-froides dans le domaine de la physique à N-corps, à l'instar des atomes ultra-froids.
Les atomes neutres piégés sont des candidats potentiels pour l'implémentation de portes logiques quantiques. Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'un piège dipolaire optique de si petite taille qu'il ne puisse contenir qu'un atome unique. Pour cela, il est nécessaire de focaliser très fortement un laser à l'endroit où l'on désire capturer les atomes. L'expérience s'articule donc autour d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique, entièrement conçu et réalisé au laboratoire. Cette optique est utilisée pour faire focaliser un laser au centre d'un piège magnéto-optique, réservoir d'atomes froids alimentant le piège dipolaire ainsi créé. Le dispositif d'observation des atomes piégés est basé sur le même objectif, qui collecte, avec une grande efficacité, la fluorescence des atomes piégés et en fait l'image sur une caméra CCD ou une photodiode à avalanche. La résolution spatiale du dispositif utilisant la caméra permet d'obtenir une image des atomes capturés, alors que l'on utilise la rapidité de la photodiode à avalanche pour les études de la dynamique du piège avec une bonne résolution temporelle. Après une description détaillée de ce dispositif expérimental, nous montrons qu'il est possible de réaliser des micro-pièges dipolaires optiques, de quelques microns cube et contenant une dizaine d'atomes. L'étude de la dynamique de chargement et de la durée de vie de ces pièges révèle également la présence de processus de collisions à deux corps. Nous montrons ensuite qu'en diminuant le taux de chargement il est possible d'observer, en temps réel, un atome unique piégé pendant quelques secondes. Dans ce régime, un processus de "blocage collisionnel" limite ce nombre d'atome à un. Pour finir, nous décrirons la mise en place d'un double piège dipolaire, dans lequel on peut piéger un atome unique dans chaque site. Ce dispositif ouvre la voie vers l'étude de l'interaction entre atomes piégés individuellement.
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.
De un à plusieurs atomes dans un micro piège dipolaire optique Cette thèse traite de la manipulation d'atomes de rubidium 87 piégés dans un piège optique dipolaire microscopique. Les expériences sont réalisées dans divers régimes de chargement du piège allant d'un atome unique à quelques milliers d'atomes en moyenne.Le régime à un seul atome permet de calibrer le dispositif expérimental. Nous utilisons l'atome unique comme bit quantique dont nous pouvons préparer et lire l'état avec une efficacité de 99.97% et 98.6%, respectivement. Lorsque plusieurs atomes sont chargés dans le piège microscopique, nous observons une distribution sub-Poissonienne du nombre d'atomes, liée aux collisions assistées par la présence de lumière quasi résonante. Une étude de ces collisions dans notre cas particulier (piège microscopique) révèle des taux de pertes extrêmement élevés, proches de la limite théorique de Langevin. Enfin, nous montrons que le chargement du piège microscopique avec plusieurs atomes est plus efficace lorsque nous superposons sur ce piège un deuxième piège, macroscopique, qui joue le rôle de réservoir d'atomes. Ce réservoir permet de charger le micro-piège à partir du macro-piège en l'absence de lumière quasi résonante et donc d'éviter les collisions assistées par la lumière.Le chargement du micro-piège à partir du macro-piège conduit à des conditions initiales optimales pour l'évaporation forcée dans la perspective d'atteindre la condensation de Bose-Einstein avec seulement une dizaine d'atomes. Après évaporation du gaz nous atteignons des densités dans l'espace des phases proches du régime de dégénérescence.