[Résumé en français]. Ce travail s inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques d'atomes dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le dispositif expérimental est décrit. Les solutions adoptées pour réaliser un four à haute température et un faisceau laser à 425,5 nm non modulé sont détaillées. Les pièges magnéto-optiques des deux isotopes sont caractérisés par un fort taux de collisions à deux corps et un taux de pertes à un corps dominé par une désexcitation vers des états métastables. Cette propriété permet d'accumuler en continu de l'ordre de dix millions d'atomes dans un piège magnétique. Un piège magnéto-optique du mélange 52Cr-53Cr est aussi étudié. La réalisation du premier piège optique d'atomes dans des états métastables est montrée pour le 52Cr. Ce résultat est une étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
[Résumé en français]. Ce travail s inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques d'atomes dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le dispositif expérimental est décrit. Les solutions adoptées pour réaliser un four à haute température et un faisceau laser à 425,5 nm non modulé sont détaillées. Les pièges magnéto-optiques des deux isotopes sont caractérisés par un fort taux de collisions à deux corps et un taux de pertes à un corps dominé par une désexcitation vers des états métastables. Cette propriété permet d'accumuler en continu de l'ordre de dix millions d'atomes dans un piège magnétique. Un piège magnéto-optique du mélange 52Cr-53Cr est aussi étudié. La réalisation du premier piège optique d'atomes dans des états métastables est montrée pour le 52Cr. Ce résultat est une étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids. Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système d'imagerie par absorption. Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et 5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique. La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr est aussi exposée. L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
[Résumé français] Le travail de cette thèse s inscrit dans la perspective d étudier les interactions dipo-laires dans des gaz de bosons et de fermions quantiquement dégénérés. Dans ce manuscrit on présente la réalisation d une experience pour refroidir et piéger des atomes de Cr, ayant un fort moment magnétique de 6 B.Nos experiences ont permis d obtenir et d étudier des pièges agneto-optiques pour les deux isotopes majoritaires du Cr. Des experiences de chargement en continu des atomes métastables de Cr, dans des pièges agnétiques de profondeur finie (tronquespar des champs RF) ont permis d obtenir des densités dans l espace des phases de 6 . 10 , dans des temps inférieurs à la seconde. Les propriétés collisionnelles des atomes métastables de Cr ont été étudiés en detail. Finalement, une nouvelle méthode de chargement d un piège optique avec plus d un 52 million d atomes méta stables de Cr, à100 K, été mis en evidence. La polarization de ces atomes dans l état minimal en énergie ouvre des perspectives pour commencer le 52 oidissement évaporatif, afin d atteindre la condensation de Bose-Einstein du Cr.
L'atome de cesium reste le seul alcalin stable a ne pas avoir ete condense. Ses proprietes collisionelles exceptionnelles (taux de collision inelastiques tres grands) ont jusqu'a ce jour mis en echec les moyens classiques de condenser les gaz. Une maniere de contourner ces difficultes consiste a pieger le cesium dans son etat fondamental. Aux temperatures auxquelles nous travaillons, il est impossible pour deux atomes dans cet etat de subir des collisions avec changement d'etat interne. Malheureusement, cet etat ne peut etre pieger dans un champ magnetique. Notre solution consiste a combiner deux types de forces : l'une magnetique, l'autre optique (dipolaire). La premiere compense la gravite, l'autre confine les atomes dans les deux autres directions. Le premier volet de cette these a consiste en la realisation pratique de ce piege pour l'etat fondamental du cesium. Pour cela, nous avons mis en place un dispositif experimental complet comprenant une double enceinte a ultra-vide et la totalite des sources lasers necessaires a la realisation de pieges magneto-optiques pour le pre-refroidissement des atomes ainsi que la totalite des frequences utiles. Les sequences experimentales et l'acquisition des donnees sont informatisees. Ce montage experimental nous a permis l'obtention d'un piege hybride dont la duree de vie de 2 s etait limitee probablement par un vide de qualite mediocre. Le second volet de cette these fut l'etude theorique du futur de cette experience. En effet, l'etape suivante est de mettre en place un mecanisme d'evaporation pour aller vers la transition de condensation. Dans notre type de piege, ce refroidissement evaporatif comporte des particularites : evaporation a une dimension, evaporation optique. Pour etudier la faisabilite de ces evaporations, j'ai utilise un calcul statistique ainsi qu'une simulation numerique Monte-Carlo de Bird. Le resultat montre qu'il existe des voies pour atteindre la condensation dans ce type de piege.
A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un
bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place
un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation
de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a
partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu
d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000
atomes en 15 s au total.
Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence
dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence
(rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la
rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a
la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en
presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de
Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective
d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.
A cause de son fort moment magnétique dans l’état fondamental, le chrome est unbon candidat pour l’étude des interactions dipolaires dans un gaz dégénéré. Nous avons mis en placeun dispositif expérimental afin de piéger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’à la condensationde Bose-Einstein. Le refroidissement évaporatif a lieu dans un piège optique, dont le chargement àpartir du piège magnéto-optique est réalisé grâce à une méthode originale d’accumulation en continud’atomes dans des états métastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000atomes en 15 s au total.Nous avons étudié la possibilité d’amener les sous-états Zeeman du chrome condensé à dégénérescencedans un champ magnétique statique non nul, en utilisant un champ magnétique radiofréquence(rf). Cela nous a conduit à mettre en évidence un processus de relaxation dipolaire assistée par larf. Nous avons ´egalement étudié une résonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui ala particularité d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analysé cette résonance enprésence de champs rf, et réinterprété l’association rf de molécules comme une simple résonance deFeshbach entre états habillés. Enfin, nous avons mis en place un réseau optique dans la perspectived’étudier l’effet des interactions dipôle-dipôle en dimension réduite.
Le nouveau projet expérimental décrit dans cette thèse a pour vocation l'étude de la localisation d'Anderson, un phénomène où la diffusion d'une onde, dans un milieu désordonné, est arrêtée par les interférences. Pour reproduire les conditions prévues dans le modèle de P.W. Anderson, on choisit d'étudier la diffusion à trois dimensions de la lumière dans un gaz d'atomes froids. En particulier, le dispositif devra permettre d'augmenter le désordre dans le nuage d'atomes froids jusqu'à observer la transition de phase entre un nuage conducteur pour la lumière et un nuage isolant. La mise à disposition d'un gaz d'atomes froids ayant la densité et les dimensions nécessaires à l'étude de la localisation fait l'objet de cette thèse. Ce travail de thèse comprend la conception et la construction d'un dispositif ayant pour ambition de piéger un maximum d'atomes. Le gaz d'atomes froids piégés est obtenu par le refroidissement Doppler, sur la transition ¹S₀ → ¹P₁, d'un jet d'ytterbium dans un piège magnéto-optique. Le jet atomique est caractérisé en fonction de la température du four. Au-dessus d'une température critique, la croissance de son débit diminue fortement dû à un changement de régime d'écoulement dans les micro-tubes de filtrage du four. Pour le refroidissement Doppler, on dispose d'un laser de 2,5 W à 399 nm. Le nombre d'atomes capturés par le piège magnéto-optique dépend du taux de chargement et des pertes. On optimise d'abord le taux de chargement jusqu'à 3,2 × 10⁹ atomes/s. Ensuite, on caractérise les sources de pertes qui sont, aux faibles densités atomiques, majoritairement dues aux collisions avec le gaz résiduel chaud ; et à plus haute densité, dues aux collisions assistées par la lumière entre atomes piégés. Notre meilleur résultat est un milliard d'atomes piégés avec une épaisseur optique trop faible pour générer de la diffusion multiple de la lumière dans le nuage. Finalement, une étape de refroidissement supplémentaire ainsi que des pistes d'amélioration sont brièvement présentées. Le refroidissement et la compression du nuage sur la transition d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ ont permis d'obtenir une épaisseur optique suffisante pour l'observation d'un cône de rétrodiffusion cohérente. Ce cône est une signature préliminaire encourageante vers la localisation d'Anderson.