La mécanique quantique a révolutionné la compréhension du monde microscopique depuis son avènement au XXe siècle. Cependant, les propriétés de la matière condensée restent difficiles à étudier en raison d'une puissance de calcul insuffisante pour simuler numériquement les systèmes à N corps. Une approche alternative consiste à piéger des atomes froids dans des réseaux, dont le comportement est analogue à celui des électrons dans un cristal. Ce système modèle, dont les paramètres peuvent être contrôlés, permet de simuler les phénomènes étudiés.La technique usuellement employée pour confiner les atomes ultrafroids dans un réseau consiste à produire une onde stationnaire résultant de l'intérférence entre deux faisceaux contrapropageants. L'originalité du projet dans lequel s'inscrit cette thèse est de générer un potentiel sublongueur d'onde grâce à la modulation des forces de Casimir au voisinage d'une surface nanostructurée. Le confinement des atomes dans un réseau bidimensionnel avec une faible distance intersite (typiquement 50 nm) permettra ainsi de mieux appréhender les propriétés des matériaux, tels que le graphène.Le travail réalisé au cours de mon doctorat s'est ainsi articulé autour de quatre axes. Tout d'abord, le refroidissement d'atomes de Rubidium 87 a été effectué jusqu'à obtenir un condensat de Bose-Einstein. Puis, des simulations numériques ont été réalisées pour mettre en place une nouvelle méthode d'imagerie sublongueur d'onde, s'appuyant sur le couplage différencié des niveaux atomiques avec un double réseau. Ceci permettra d'activer de façon sélective les sites à détecter pour localiser les atomes avec une précision sublongueur d'onde. Un nouveau système d'imagerie a d'ailleurs été développé pour mieux résoudre les images des distributions atomiques. D'autre part, des simulations numériques ont été réalisées pour anticiper les résultats expérimentaux sur le transport adiabatique au voisinage d'une surface. Enfin, dans le cadre de ma convention CIFRE, une nouvelle architecture laser sera présentée, dans le but d'intéragir avec les atomes de potassium 40 qui seront à refroidir dans la suite du projet dans lequel s'inscrit ma thèse.
La mécanique quantique a révolutionné la compréhension du monde microscopique depuis son avènement au XXe siècle. Cependant, les propriétés de la matière condensée restent difficiles à étudier en raison d'une puissance de calcul insuffisante pour simuler numériquement les systèmes à N corps. Une approche alternative consiste à piéger des atomes froids dans des réseaux, dont le comportement est analogue à celui des électrons dans un cristal. Ce système modèle, dont les paramètres peuvent être contrôlés, permet de simuler les phénomènes étudiés.La technique usuellement employée pour confiner les atomes ultrafroids dans un réseau consiste à produire une onde stationnaire résultant de l'intérférence entre deux faisceaux contrapropageants. L'originalité du projet dans lequel s'inscrit cette thèse est de générer un potentiel sublongueur d'onde grâce à la modulation des forces de Casimir au voisinage d'une surface nanostructurée. Le confinement des atomes dans un réseau bidimensionnel avec une faible distance intersite (typiquement 50 nm) permettra ainsi de mieux appréhender les propriétés des matériaux, tels que le graphène.Le travail réalisé au cours de mon doctorat s'est ainsi articulé autour de quatre axes. Tout d'abord, le refroidissement d'atomes de Rubidium 87 a été effectué jusqu'à obtenir un condensat de Bose-Einstein. Puis, des simulations numériques ont été réalisées pour mettre en place une nouvelle méthode d'imagerie sublongueur d'onde, s'appuyant sur le couplage différencié des niveaux atomiques avec un double réseau. Ceci permettra d'activer de façon sélective les sites à détecter pour localiser les atomes avec une précision sublongueur d'onde. Un nouveau système d'imagerie a d'ailleurs été développé pour mieux résoudre les images des distributions atomiques. D'autre part, des simulations numériques ont été réalisées pour anticiper les résultats expérimentaux sur le transport adiabatique au voisinage d'une surface. Enfin, dans le cadre de ma convention CIFRE, une nouvelle architecture laser sera présentée, dans le but d'intéragir avec les atomes de potassium 40 qui seront à refroidir dans la suite du projet dans lequel s'inscrit ma thèse.
La mécanique quantique a révolutionné la compréhension du monde microscopique depuis son avènement au XXe siècle. Cependant, les propriétés de la matière condensée restent difficiles à étudier en raison d'une puissance de calcul insuffisante pour simuler numériquement les systèmes à N corps. Une approche alternative consiste à piéger des atomes froids dans des réseaux, dont le comportement est analogue à celui des électrons dans un cristal. Ce système modèle, dont les paramètres peuvent être contrôlés, permet de simuler les phénomènes étudiés.La technique usuellement employée pour confiner les atomes ultrafroids dans un réseau consiste à produire une onde stationnaire résultant de l'intérférence entre deux faisceaux contrapropageants. L'originalité du projet dans lequel s'inscrit cette thèse est de générer un potentiel sublongueur d'onde grâce à la modulation des forces de Casimir au voisinage d'une surface nanostructurée. Le confinement des atomes dans un réseau bidimensionnel avec une faible distance intersite (typiquement 50 nm) permettra ainsi de mieux appréhender les propriétés des matériaux, tels que le graphène.Le travail réalisé au cours de mon doctorat s'est ainsi articulé autour de quatre axes. Tout d'abord, le refroidissement d'atomes de Rubidium 87 a été effectué jusqu'à obtenir un condensat de Bose-Einstein. Puis, des simulations numériques ont été réalisées pour mettre en place une nouvelle méthode d'imagerie sublongueur d'onde, s'appuyant sur le couplage différencié des niveaux atomiques avec un double réseau. Ceci permettra d'activer de façon sélective les sites à détecter pour localiser les atomes avec une précision sublongueur d'onde. Un nouveau système d'imagerie a d'ailleurs été développé pour mieux résoudre les images des distributions atomiques. D'autre part, des simulations numériques ont été réalisées pour anticiper les résultats expérimentaux sur le transport adiabatique au voisinage d'une surface. Enfin, dans le cadre de ma convention CIFRE, une nouvelle architecture laser sera présentée, dans le but d'intéragir avec les atomes de potassium 40 qui seront à refroidir dans la suite du projet dans lequel s'inscrit ma thèse.
Depuis plusieurs décennies un intérêt est né pour combiner deux systèmes quantiques pour former unsystème hybride quantique (SHQ) aux qualités qu’il serait impossible d’atteindre avec un seul des deuxsous-constituants. Parmi les systèmes quantiques, les atomes froids se distinguent par leur fort découplagede l’environnement, permettant un contrôle précis de leurs propriétés intrinsèques. En outre, les simulateursquantiques réalisés en piégeant des atomes froids dans des réseaux optiques présentent des propriétéscontrôlables (échelle d’énergie, géométrie,...) qui permettent d’étudier de nouveaux régimes intéressants enphysique de la matière condensée. Dans cette quête de phases quantiques exotiques (e.g., antiferromagnétisme),la réduction de l’entropie thermique est un défi crucial. Le prix à payer pour atteindre de si faiblestempérature et entropie est un long temps de thermalisation qui limite la réalisation expérimentale. La réductionde la période du réseau est une solution prometteuse pour augmenter la dynamique du système.Les SHQs avec des atomes froids offrent de riches perspectives mais requiert d’interfacer des systèmes quantiquesdans des états différents (solide/gaz) à des distances très proches, ce qui reste un défi expérimental.Le projet AUFRONS, dans lequel s’inscrit cette thèse, vise à refroidir un gaz d’atomes froids jusqu’aurégime de dégénérescence quantique puis de transporter et piéger ce nuage en champ proche d’une nanostructure.L’idée est d’obtenir un gaz d’atomes froids piégé dans un réseau bidimensionnel aux dimensionssublongueur d’onde, à quelques dizaines de nm de la structure. Un des objectifs est d’étudier les interactionsau sein du réseau mais également le couplage des atomes avec les modes de surface.Le travail réalisé durant cette thèse se décompose en une partie expérimentale et une partie théorique.Dans la première nous présentons le refroidissement d’atomes de 87Rb jusqu’au régime de dégénérescencequantique. La seconde partie est consacrée aux simulations théoriques d’une nouvelle méthode que nousavons implémentée pour piéger et manipuler des atomes froids à moins de 100 nm d’une nanostructure.Cette méthode, qui tire profit de la résonance plasmonique et des forces du vide (effet Casimir-Polder),permet de créer des potentiels sublongueur d’onde aux paramètres contrôlables. Nous détaillons ainsi lescalculs des forces optiques et des forces du vide que nous appliquons au cas d’un atome de 87Rb en champproche d’une nanostructure 1D.
Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution.
Depuis quelques temps, les physiciens theoriciens de la matiere condensee sont confrontes a un probleme majeur : la puissance de calcul necessaire pour simuler numeriquement et etudier certains systemes a N corps est insuffisante. Comme le controle et l’utilisation des systemes d’atomes ultra-froids se sont developpes de maniere importante,principalement durant les deux dernieres decennies, nous sommes peut-etre en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids pieges dans des reseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des electrons se deplacant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes pieges dans des reseaux optiques, sont toutes les deux decrites par le meme modele de Fermi-Hubbard, qui est une presentation simplifiee du comportement des fermions sur un reseau periodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des proprietes electriques des materiaux, telle sque la conductivite ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriete smagnetiques telles que l’ordre antiferromagnetique.L’experience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaille pendant mon doctorat, a pour but d’etudie rla physique des fermions fortement correles, avec un simulateur quantique base sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, pieges dans le potentiel nanostructure des reseaux optiques bidimensionnels, generes en champ proche. Pour detecter la distribution atomique a d’aussi courtes distances, nous avons developpe une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois termine, notre systeme d’imagerie pourrait potentiellement detecter et identifier des sites individuels du reseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je decris le travail que j’ai effectue pour construire l’experience AUFRONS,ainsi que l’etude de faisabilite que j’ai realisee pour la technique d’imagerie a super-resolution.
Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution.
Transport d’atomes ultra-froids et couplage à des surfaces nano-structurées L'entrée dans le nouveau millénaire a été marquée dans la communauté quantique par les premières réalisations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein d'atomes dans un gaz, obtenues par différents groupes de recherche. Vingt-cinq années plus tard, de tels systèmes sont produits régulièrement et sont au cœur de nombreuses expériences. À la frontière entre la théorie de la matière condensée, l'optique quantique et la physique atomique, l'étude des atomes ultra-froids est un sujet scientifiquement très prometteur.Un gaz ultra-froid peut être piégé dans des réseaux optiques, offrant ainsi un moyen réaliste de mettre expérimentalement en place une nouvelle gamme d'Hamiltonien périodiques, utilisés pour simuler la matière condensée. Dans de telles simulations, des atomes ultra-froids imitent le comportement des électrons dans un matériau à l'état solide et pourraient être utilisés pour simuler une large gamme de phénomènes complexes en matière condensée, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité à température ambiante.Afin d'étudier de tels systèmes, des microscopes à gaz quantiques, limités par la diffraction, ont émergé comme un moyen de manipuler et de détecter les atomes piégés dans des potentiels périodiques. Utilisant l'interférence en champ lointain, les expériences ont principalement été limitées à des réseaux ayant des périodes proche de 500 nm, ce qui limite la vitesse de la dynamique des processus physiques étudiés. Les régimes d'énergie plus élevés pourraient être atteints en réduisant la période du réseau.Pour ce faire, l'un des objectifs à long terme de l'équipe est de piéger des atomes dans le champ proche d'une surface et d'utiliser les forces de Casimir-Polder pour façonner des potentiels sub-longueur d'onde. Grâce aux capacités de nano-fabrication, l'espacement entre les sites peut être réduit à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, cela nécessite d'adapter les techniques d'imagerie pour observer les atomes avec des résolutions spatiales sub-longueur d'onde.Dans ce manuscrit de thèse, je rapporte dans un premier temps les avancées vers la mise en place d'une puce atomique sur l'expérience AUFRONS, qui servira de plateforme pour manipuler le gaz quantique. Je présente des simulations numériques et étudie une solution expérimentale permettant de transporter le nuage jusqu'au champ proche. La méthode est basée sur l'interférence d'un rayonnement laser dans le champ proche d'une surface en rotation. Celle-ci a été entièrement simulée et les limites ont été évaluées numériquement et expérimentalement. Je conclus cette partie en présentant le premier modèle de puce qui a été fabriqué.Dans une seconde partie, je détaille le développement d'une méthode d'imagerie sub-longueur d'onde d'atomes ultra-froids de Rubidium 87 basée sur l'habillage des états excités. J’approfondis le concept de cette méthode atteignant des résolutions spatiales nanométriques et l'applique pour résoudre la fonction d'onde de taille inférieur à 30 nm, piégée dans un site unique d'un réseau optique.