Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
Les travaux presentes dans ce memoire ont pour but de decrire la dynamique d'un nuage d'atomes froids dans un piege magneto-optique. Nous nous sommes plus particulierement interesses aux instabilites spontanees que developpe le systeme pour certains parametres. Dans ce cas, par une approche phenomenologique, nous avons pu mettre en evidence deux composantes dynamiques ; lente et rapide, respectivement liees a la variation du nombre d'atomes et au mouvement du centre de masse du nuage. L'evolution de la dynamique lente (superieure a 0,2 s) apparait toujours erratique. L'evolution de la composante rapide du systeme (superieure a 10 ms) montre, quant a elle, de nombreux regimes, dont des regimes periodiques et erratiques, dependant des parametres. L'evolution rapide du systeme est aussi fortement affectee par son evolution lente. Nous n'avons pu mettre en evidence une origine deterministe aux instabilites associees aux composantes dynamiques du systeme. Ce resultat ne nous a en outre pas permis de conclure sur les mecanismes physiques a l'origine des instabilites du nuage.
Nuages auto-oscillants dans des pièges magnéto-optiques Dans cette Thèse, nous étudions les aspects fondamentaux des nuages atomiques auto-oscillants dans un grand piège magnéto-optique (MOT, de l’anglais Magneto-Optical Trap) équilibré. Ces instabilités présentent des analogies avec des systèmes astrophysiques tels que les étoiles variables (Céphéides), dont les auto-oscillations dépendent de la pression de radiation et de la gravitation, ainsi que des systèmes technologiques tels que les plasmas confinés, où des auto-oscillations peuvent survenir en raison des interactions entre les particules de plasma et le champ magnétique de confinement. Nous commençons par une étude expérimentale des instabilités dans un MOT équilibré, en étudiant d'abord le comportement du seuil d'instabilité par rapport à divers paramètres du MOT, y compris le gradient de champ magnétique, le nombre d'atome et l'intensité laser. Nous procédons ensuite à l'étude des propriétés spatio-temporelles du régime instable et identifions des régimes d'instabilité distincts. Différentes techniques d'analyse sont employées qui permettent d’identifier les modes d'oscillation du nuage dans chacun de ces régimes. Nous étudions également le comportement des distributions des tailles des structures spatiales qui se développent dans le nuage. Dans une approche théorique, nous développons un modèle cinétique 3D pour le MOT en prenant en compte les interactions entre atomes et l'utilisons avec succès dans des simulations numériques de nos instabilités. Nous trouvons des accords qualitatifs avec les seuils d'instabilité issus des expériences et prédisons les régimes d'instabilité obtenus expérimentalement. Nous étudions l’impact des ingrédients physiques de notre modèle sur les instabilités, afin de faciliter la compréhension de la physique complexe à l’œuvre. Enfin, nous montrons un résultat numérique préliminaire pour une instabilité dans un MOT désaligné, observée expérimentalement, démontrant ainsi que notre outil numérique peut être utilisé au-delà du MOT équilibré.
Nous avons observé une réduction des fluctuations quantiques d'un faisceau lumineux interagissant avec un milieu non linéaire constitué d'atomes refroidis par laser. Le nuage atomique, produit par un piège magnéto-optique, est placé dans une cavité optique où il interagit avec le faisceau sonde. Quand le piège est coupé, les atomes quittent la zone d'interaction en suivant un mouvement balistique. Cet effet est utilisé pour balayer la cavité sur la résonance. Des mesures du bruit quantique peuvent être effectuées sur ce système bistable pendant un temps de l'ordre de 20-30ms. Une réduction du bruit de 40 ± 10% pour une des quadratures a été mesurée dans ces conditions. Sur le plan théorique, nous avons développé un traitement de la variation du nombre moyen d'atomes dans le faisceau sonde ainsi que des fluctuations de cette variable. De plus, nous avons effectué un traitement complet des fluctuations du faisceau sonde en tenant compte de sa structure spatiale. Une synthèse de ces développements a été utilisée pour modéliser les spectres du bruit expérimentaux. Nous avons trouvé un accord satisfaisant entre les spectres théoriques et les observations expérimentales. Une réduction du bruit a été aussi observée en présence du piège magnéto-optique avec des atomes très faiblement piégés. La meilleure réduction du bruit mesurée dans de telles conditions est de 20 ± 10%.
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.