Le rayonnement de sources très chaudes (étoiles) excite un gaz froid (interstellaire), principalement constitué d'hydrogène sous très basse pression, maintenu essentiellement atomique par des rayonnements de très haute fréquence qui détruisent les molécules. Des atomes d'hydrogène sont pompés, par exemple, du niveau atomique 1S à un niveau 2P par un "Spatially Coherent Raman Effect on temporally Incoherent Light" (CREIL) or "Stimulated Raman Loss" (SRL) : un quantum électromagnétique stellaire d'énergie suffisante quelconque fournit les 10 eV d'une transition Lyman alpha. Comme toute émission cohérente, l'émission du quantum électromagnétique résiduel ne peut être qu'une amplification d'un mode qui existe à toute fréquence dans le rayon stellaire temporellement parfaitement incohérent. En supposant que les atomes reviennent dans des états froids par rayonnement ou collisions, un très grand nombre de SRL, ayant une probabilité dépendant peu de la fréquence, rougit les spectres stellaires. La loi de Hubble ainsi obtenue évalue la densité de colonne d'hydrogène atomique excité. Introduction: hypothèses. Nous supposerons que les gaz autres que l'hydrogène jouent, dans l'espace interstellaire seulement des rôles mineurs d'absorption de raies spectrales, de sorte que nous étudions un modèle ne tenant compte que de l'hydrogène, modèle qui pourra subir quelques perturbations élémentaires. La température interstellaire est supposée voisine de zéro kelvins.
Le rayonnement de sources très chaudes (étoiles) excite un gaz froid (interstellaire), principalement constitué d'hydrogène sous très basse pression, maintenu essentiellement atomique par des rayonnements de très haute fréquence qui détruisent les molécules. Des atomes d'hydrogène sont pompés, par exemple, du niveau atomique 1S à un niveau 2P par un "Spatially Coherent Raman Effect on temporally Incoherent Light" (CREIL) or "Stimulated Raman Loss" (SRL) : un quantum électromagnétique stellaire d'énergie suffisante quelconque fournit les 10 eV d'une transition Lyman alpha. Comme toute émission cohérente, l'émission du quantum électromagnétique résiduel ne peut être qu'une amplification d'un mode qui existe à toute fréquence dans le rayon stellaire temporellement parfaitement incohérent. En supposant que les atomes reviennent dans des états froids par rayonnement ou collisions, un très grand nombre de SRL, ayant une probabilité dépendant peu de la fréquence, rougit les spectres stellaires. La loi de Hubble ainsi obtenue évalue la densité de colonne d'hydrogène atomique excité. Introduction: hypothèses. Nous supposerons que les gaz autres que l'hydrogène jouent, dans l'espace interstellaire seulement des rôles mineurs d'absorption de raies spectrales, de sorte que nous étudions un modèle ne tenant compte que de l'hydrogène, modèle qui pourra subir quelques perturbations élémentaires. La température interstellaire est supposée voisine de zéro kelvins.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.
Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain.
Le probleme de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu a de nombreux phenomenes interessants concernant l’emission spontanee de la lumiere et sa propagation dans l’echantillon. Les effets cooperatifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets lies a la coherence creee entre les atomes lorsqu'un photon est emis spontanement par un seul atome excite. La super-radiance peut etre definie comme le renforcement de l'emission spontanee due a une interference constructive de la lumiere diffusee. Son homologue, la sous-radiance, est le piegeage d'une partie de la lumiere restante en raison d'interferences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux theoriques anterieurs predisent et caracterisent ces deux effets cooperatifs dans un nuage atomique large et diluee, dans le regime des faibles intensites et a grands desaccords du laser incident. Le modele theorique est un modele de dipoles couples pour atomes a deux niveaux pilotes par un champ de faible intensite et dans l'approche scalaire. L'experience consiste a mesurer les taux de d’decroissance super- et sous-radiants a partir de l’intensite temporelle emise apres la coupure du laser incident en regime stationnaire. Notre schema experimental consiste en un piege magneto-optique d’atomes de rubidium 87 a grandes epaisseurs optiques a resonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensite emise est detectee par un detecteur de photons uniques depourvu d’afterpulsing et une procedure d’etalonnage nous permet de determiner l’epaisseur optique resonante du nuage et sa temperature. Dans ce travail, nous rapportons l’observation experimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le resultat principal est l’evolution lineaire du temps caracteristique avec l’epaisseur optique resonante du nuage et son independance du desaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous verifions la validite de nos interpretations avec les predictions du modele de dipoles couples. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piegeage de radiation, ainsi que des previsions theoriques concernant : la configuration d’un nuage phase, pour controler l’emission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de temperature, ou la sous-radiance s’avere robuste dans une large gamme de temperatures.
Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.
La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion.
Cette these etudie les phases classiques et quantiques des systemes atomiques ou moleculaires de basse dimension en mettant un accent particulier sur le crossover dimensionnel de une a deux dimensions.La premiere partie de la these est consacree a la description d'un systeme d'atomes froids interagissants avec un potentiel de contact. Plus precisement, nous etudions le de-piegeage dynamique qui, suite a l'extinction rapide d'un reseau optique, s'opere dans un gaz compose de bosons impenetrables dans un guide d'onde atomique lineaire. Nous employons une solution exacte, basee sur une correspondance entre bosons en forte interaction et fermions sans interaction pour deduire l'evolution dynamique quantique exacte. Dans la limite thermodynamique, nous observons l'approche vers un etat stationnaire hors equilibre, caracterise par l'absence d'ordre hors diagonal a longue distance et une visibilite reduite de la distribution en impulsions. Des caracteristiques similaires sont observees dans un systeme de taille finie pour des temps correspondant a la moitie du temps de recurrence, lors desquels nous observons que le systeme approche un etat quasi-stationnaire auquel le systeme s'approche avec une dependance temporelle en loi de puissance.La deuxieme partie de la these analyse l'effet des interactions dipolaires sur l'etat fondamental du systeme. L'inclusion de l'interaction dipole-dipole donne lieu a de nouvelles phases quantiques du systeme unidimensionnel, mais peut egalement entrainer une instabilite transverse.Cette instabilite est tout d'abord analysee dans le regime classique. Nous considerons des particules classiques avec interactions dipolaires, confines sur un anneau par un potentiel harmonique radiale. Les dipoles sont polarises perpendiculairement au plan de confinement. En diminuant le confinement dans la direction radiale, les particules classique montrent une transition entre une chaine simple et une chaine double (en zigzag). Nous montrons que cette transition est faiblement du premier ordre. Nous expliquons que la nature de cette transition est determinee par le couplage entre les modes d'excitation transversaux et axiaux de la chaine des dipoles. Ce resultat est tres different du comportement observe dans les systemes Coulombiens, ou la transition entre la chaine lineaire et la chaine en zigzag est continue et appartient a la classe d'universalite de la transition ferromagnetique. Nos resultats s'appliquent aux systemes dipolaires classiques et aux atomes Rydberg, qui peuvent constituer un banc d'essai pour simuler le comportement critique des aimants couples a des grilles.Dans le regime quantique, nous considerons un systeme des bosons dipolaires sur un reseaux optique, confines par un potentiel harmonique anisotrope. Dans le regime favorisant l'instabilite d'une chaine simple, nous demontrons que le systeme peut etre decrit par un modele de Bose-Hubbard etendu a plusieurs modes couples entre eux, dont les coefficients peuvent etre determines en utilisant une theorie de basse energie. La methode d'integrale de chemin Monte Carlo, la diagonalisation exacte et TEBD sont utilises pour determiner l'etat fondamental de modele de Bose-Hubbard etendu et demontrent que ce modele capture la transition entre la chaine lineaire et la chaine en zigzag.