Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Guides d'ondes à modes lents et atomes froids : vers une plateforme polyvalente d'électrodynamique quantique en guide d'onde Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
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.
Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.
Cette thèse développe et utilise une plateforme expérimentale à température ambiante pour la simulation quantique, basée sur des atomes de rubidium piégés optiquement et excités dans des états de Rydberg circulaires. Le cœur du travail repose sur une architecture hybride : des atomes cible sont préparés dans des états circulaires, qui encodent l'information, tandis que des atomes ancillaires sont excités vers des états de Rydberg à faible l, accessibles optiquement. Ces derniers permettent l'adressage local, les opérations conditionnelles et la lecture des états circulaires des atomes cibles, en se plaçant à proximité d'une résonance de Förster. La première partie de la thèse aborde un obstacle majeur au passage à l'échelle des tableaux de pinces optiques à grand champ : les aberrations optiques, qui dégradent la qualité du piège loin de l'axe optique. Nous présentons une méthode basée sur des signaux atomiques pour calibrer un modèle de distorsion du front d'onde dépendant spatialement du champ. Ce modèle constitue un élément central d'un algorithme de génération de tableaux développé précédemment au sein de l'équipe, permettant une correction des aberrations site par site aux positions programmées des pinces optiques. En utilisant la lentille asphérique commerciale incorporée dans notre dispositif expérimental, nous obtenons des pièges homogènes, proches de la limite de diffraction, sur un champ de vision de 150 × 342 µm², limité par le clipping optique. En nous appuyant sur ces outils, nous réalisons des tableaux hybrides combinant des faisceaux bouteille pour les atomes circulaires et des pinces optiques gaussiennes pour les atomes ancillaires. Nous observons ainsi une dynamique cohérente d'échange de spin, due à l'interaction dipôle-dipôle résonnante entre deux atomes circulaires préparés dans l'état |53C;54C⟩. La couche ancillaire intervient à trois étapes : elle permet la préparation conditionnelle de l'état de pair d'atomes circulaires, contribue à générer un signal de post-sélection qui identifie les séquences réussies, et permet la lecture de l'état circulaire des atomes cibles. L'ancillaire étant accessible optiquement, elle permet le contrôle et la mesure locaux d'états circulaires. Ces résultats constituent une preuve de principe pour la simulation quantique facilitée par des ancillaires, avec des atomes de Rydberg circulaires dans une plateforme hybride. Ils motivent des améliorations à court terme ciblant directement les limites identifiées, en particulier le passage dans un milieu cryogénique pour accéder à la longue durée de vie intrinsèque des états circulaires, ainsi qu'un refroidissement efficace des atomes pour les préparer à l'état fondamental du mouvement dans les pièges. En prolongeant les temps de cohérence et en réduisant l'amortissement induit par le mouvement, ces améliorations élargiraient la marge de manœuvre dont nous disposons sur les paramètres expérimentaux et pourraient permettre d'observer des centaines d'oscillations d'échange avec un contraste proche de l'unité. Combinées au contrôle local résolu par site et à la lecture non-destructive des états circulaires rendus possibles par la couche ancillaire, ces évolutions permettraient d'explorer des dynamiques lentes à N corps à l'aide de tableaux atomiques plus grands. A moyen terme, moyennant des améliorations supplémentaires, par exemple en imagerie rapide et d'haute-fidélité, elles ouvriraient également la voie à des mesures à mi-circuit assistées par ancillaire.
L’étude des gaz quantiques en microgravité ouvre la voie à de nouveaux tests de la physique fondamentale et à la mise au point de capteurs inertiels de haute précision. Le projet ICE (Interférométrie à sources Cohérentes pour l’Espace), soutenu par le CNES, vise à réaliser un test du principe d’équivalence faible en microgravité grâce à un interféromètre atomique bi-espèce basé sur les isotopes 87Rb et 39K. Ces isotopes présentent des avantages complémentaires : un fort rapport de masse, une compatibilité optique et des architectures laser fibrées, adaptées aux environnements embarqués. Cette thèse s’inscrit dans le développement de ce démonstrateur technologique, destiné à valider les méthodes expérimentales en vue de futures missions spatiales. Le dispositif expérimental, compact et transportable, est conçu pour fonctionner à la fois sur un simulateur de microgravité au sol et à bord de l’avion zéro-G. Une attention particulière a été portée à la robustesse de l’architecture optique intégralement fibrée, élément clé pour une application spatiale. Un premier axe a concerné la production de sources atomiques ultra-froides. Des condensats de Bose-Einstein de rubidium ont été obtenus dans des conditions expérimentales contraignantes, notamment en vol parabolique, démontrant la faisabilité de telles manipulations en microgravité. Sur le simulateur, des condensats à des températures de quelques nanokelvins ont également été produits, validant les techniques de refroidissement évaporatif optique. Un second axe a porté sur l’interférométrie atomique en microgravité. L’étude théorique et expérimentale des transitions Raman a permis d’explorer différents régimes de diffraction, en particulier la double diffraction, prometteuse pour augmenter la sensibilité. Les premiers résultats ont montré la possibilité de mesurer des accélérations avec des temps d’interrogation prolongés et de reconstruire des franges d’interférence avec des nuages ultra-froids. Ces avancées ouvrent la voie à des mesures inertiels de haute précision dans l’espace. La thèse a également exploré des méthodes de détection adaptées aux gaz dilués en expansion libre. L’imagerie par absorption et par fluorescence, ainsi que la détection temporelle, se sont révélées complémentaires pour caractériser les sources atomiques et extraire les signaux interférométriques, chacune présentant des avantages selon le régime expérimental. Enfin, une étude théorique originale a été consacrée à la création de pièges tout optiques en forme de bulle pour des condensats en microgravité. Ces géométries sphériques ouvrent de nouvelles perspectives pour l’exploration de phases quantiques inédites et constituent un pas vers l’ingénierie de systèmes quantiques dans des environnements spatiaux. En conclusion, ce travail a démontré la faisabilité de produire et manipuler des gaz quantiques en microgravité, ainsi que d’exploiter leur cohérence pour des applications métrologiques. Ces résultats marquent une étape importante vers la réalisation de tests sensibles du principe d’équivalence faible depuis l’espace, et plus largement vers l’utilisation de capteurs quantiques embarqués pour sonder la gravité et explorer de nouvelles physiques.