Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.
Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.
Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.
Dans ce mémoire nous présentons plusieurs études expérimentales des propriétés magnétiques d’un condensat de Bose-Einstein de Chrome chargé dans un réseau 3D, en nous focalisant sur les effets associés aux interactions dipolaires. Nous montrons que dans un réseau 3D, la relaxation dipolaire est un processus résonant du fait de la réduction de la densité d’états orbitaux accessibles. Les résonances sont observées à des champs magnétiques Bres tels que l’énergie Zeeman relâchée soit égale à l’énergie nécessaire à exciter les atomes dans une bande d’énergie supérieure du réseau. Nous pouvons inhiber ce processus en appliquant un champ différent de Bres. L’analyse des résonances a permis de sonder la structure de bande 3D du réseau, ainsi que la mise en évidence de l’effet des interactions entre atomes. Nous avons étudié la dynamique d’échange de spin dans un réseau 3D. Nous présentons en particulier la première observation d’échange de spin entre atomes localisés dans des sites séparés. Ces études permettent une exploration nouvelle du magnétisme en réseau. En variant la profondeur du réseau, nous étudions ces effets dans le régime superfluide, bien décrit par une théorie de champ moyen, et dans le régime fortement corrélé, dont la description théorique est difficile. Enfin, nous étudions l’évolution de deux spins géants interagissant par interaction dipolaire. Le condensat initialement divisé en deux, les atomes des deux nuages sont préparés dans des états de spin opposés formant ainsi deux spins géants ±3xN. Nous montrons que toute dynamique de spin est énergétiquement inhibée pour de grands spins ce qui est bien reproduit par une théorie classique.
Dans ce mémoire nous présentons plusieurs études expérimentales des propriétés magnétiques d’un condensat de Bose-Einstein de Chrome chargé dans un réseau 3D, en nous focalisant sur les effets associés aux interactions dipolaires. Nous montrons que dans un réseau 3D, la relaxation dipolaire est un processus résonant du fait de la réduction de la densité d’états orbitaux accessibles. Les résonances sont observées à des champs magnétiques Bres tels que l’énergie Zeeman relâchée soit égale à l’énergie nécessaire à exciter les atomes dans une bande d’énergie supérieure du réseau. Nous pouvons inhiber ce processus en appliquant un champ différent de Bres. L’analyse des résonances a permis de sonder la structure de bande 3D du réseau, ainsi que la mise en évidence de l’effet des interactions entre atomes. Nous avons étudié la dynamique d’échange de spin dans un réseau 3D. Nous présentons en particulier la première observation d’échange de spin entre atomes localisés dans des sites séparés. Ces études permettent une exploration nouvelle du magnétisme en réseau. En variant la profondeur du réseau, nous étudions ces effets dans le régime superfluide, bien décrit par une théorie de champ moyen, et dans le régime fortement corrélé, dont la description théorique est difficile. Enfin, nous étudions l’évolution de deux spins géants interagissant par interaction dipolaire. Le condensat initialement divisé en deux, les atomes des deux nuages sont préparés dans des états de spin opposés formant ainsi deux spins géants ±3xN. Nous montrons que toute dynamique de spin est énergétiquement inhibée pour de grands spins ce qui est bien reproduit par une théorie classique.
Nos experiences ont ete consacrees a l’etude d’un condensat de chrome, element possedant un fort moment magnetique. Elles nous ont permis de mettre en evidence l’influence des interactions dipolaires sur les proprietes hydrodynamiques et magnetiques d’un condensat. Ces interactions sont, contrairement aux interactions de contact, anisotropes et a longue portee. Nous avons etudie un mode d’oscillations collectives, de type quadrupolaire, du condensat de chrome. Nous avons observe que la frequence de ce mode depend legerement de l’orientation des dipoles, fixee par le champ magnetique. De plus, nous avons utilise la diffusion de Bragg pour sonder le spectre des excitations de Bogoliubov du condensat. Nous avons caracterise l’effet des interactions dipolaires sur les energies d’excitation. Dans le regime phononique, nous en avons deduit une anisotropie de la vitesse du son, qui depend de la direction de propagation de l’onde sonore relativement a l’axe de polarisation des dipoles. Nous avons egalement etudie les collisions inelastiques dues a l’interaction dipole-dipole, appelees relaxations dipolaires. Nous avons observe, d’une part, que le taux de collision est directement lie aux correlations de paires dans le condensat, et d’autre part, que ce taux depend fortement de la dimensionnalite du systeme. A tres bas champ magnetique, nous avons mis en evidence une dynamique spinorielle, due aux interactions dipolaires, qui se traduit par une demagnetisation spontanee du condensat. Ces experiences ont ete facilitees par la mise au point d’une cavite optique passive “ultra-stable”, utilisee pour asservir nos nouveaux lasers.
Dans les condensats de Bose-Einstein spinoriels (CBES), plusieurs états de spincoexistent, donnant lieu à des dynamiques pilotées par des interactions dépendantes du spin (interactions de contact (IC) et dipôle-dipôle (IDD)). En lien étroit avec les travaux expérimentaux de notre groupe, ce manuscrit présente une analyse théorique du comportement dynamique des CBES. On s'intéresse à la situation où les CBES se trouvent dans l'état fondamental ferromagnétique à magnétisation maximale, et qui sont portés hors de l'état d'équilibre. En analysant les instabilités d'un condensat uniforme de spin ƒ dans le cadre de la théorie de Bogoliubov, on met en évidence l'existence d'instabilités dynamiques lorsque le champ magnétique appliqué est inférieur à un champ critique pdd qui est de l'ordre de ~ 0.1mG. On montre que pdd est fixé uniquement par l'IDD. L'instabilité se traduit par l'apparition de textures de spin et par la démagnétisation du condensat. Pourun condensat piégé, nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii montrent une démagnétisation pour un champ critique pdem ≲ pdd. Nous avons également étudié les dynamiques du condensat piégé en présence d'un fort champ magnétique ~ 200mG ≫ pdd, et d'un gradient ~ 10mG/cm. L'état initial est excité en effectuant unerotation globale des spins. Nos simulations numériques (Gross-Pitaevskii) montrent une persistance inattendue du caractère ferromagnétique initial. On montre que l'énergie cinétique communiquée par le gradient aux états de spin tend à altérer le caractère ferromagnétique, mais que cet effet est contrebalancé par l'IC qui impose un gap en énergie. Enfin, pour un condensat piégé, on met en évidence des modes collectifs de spin : les spins oscillent autour de leur orientation initiale avec une amplitude qui varie spatialement et une fréquence de l'ordre de ħ /Mσ²≪⍵ (σ est la taille du condensat et ⍵/2 π la fréquence du piège). La comparaison de nos calculs avec les expériences montre un excellent accord.
Dans les condensats de Bose-Einstein spinoriels (CBES), plusieurs états de spincoexistent, donnant lieu à des dynamiques pilotées par des interactions dépendantes du spin (interactions de contact (IC) et dipôle-dipôle (IDD)). En lien étroit avec les travaux expérimentaux de notre groupe, ce manuscrit présente une analyse théorique du comportement dynamique des CBES. On s'intéresse à la situation où les CBES se trouvent dans l'état fondamental ferromagnétique à magnétisation maximale, et qui sont portés hors de l'état d'équilibre. En analysant les instabilités d'un condensat uniforme de spin ƒ dans le cadre de la théorie de Bogoliubov, on met en évidence l'existence d'instabilités dynamiques lorsque le champ magnétique appliqué est inférieur à un champ critique pdd qui est de l'ordre de ~ 0.1mG. On montre que pdd est fixé uniquement par l'IDD. L'instabilité se traduit par l'apparition de textures de spin et par la démagnétisation du condensat. Pourun condensat piégé, nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii montrent une démagnétisation pour un champ critique pdem ≲ pdd. Nous avons également étudié les dynamiques du condensat piégé en présence d'un fort champ magnétique ~ 200mG ≫ pdd, et d'un gradient ~ 10mG/cm. L'état initial est excité en effectuant unerotation globale des spins. Nos simulations numériques (Gross-Pitaevskii) montrent une persistance inattendue du caractère ferromagnétique initial. On montre que l'énergie cinétique communiquée par le gradient aux états de spin tend à altérer le caractère ferromagnétique, mais que cet effet est contrebalancé par l'IC qui impose un gap en énergie. Enfin, pour un condensat piégé, on met en évidence des modes collectifs de spin : les spins oscillent autour de leur orientation initiale avec une amplitude qui varie spatialement et une fréquence de l'ordre de ħ /Mσ²≪⍵ (σ est la taille du condensat et ⍵/2 π la fréquence du piège). La comparaison de nos calculs avec les expériences montre un excellent accord.