Progrès vers l'imagerie par microscopie de fluorescence d'un gaz quantique de strontium Dans cette thèse, nous discutons des progrès réalisés dans le développement d'un microscope à gaz quantique pour l'étude de la dynamique hors équilibre dans des systèmes quantiques isolés après un quench. La perspective de ce travail est d'étudier la dynamique de relaxation des atomes de strontium dans un réseau optique 2D, décrit par le modèle de Bose-Hubbard.Nous présentons le dispositif expérimental développé pour le refroidissement et le piégeage du strontium par laser. En particulier, nous décrivons la simulation et la mise en œuvre d'un nouveau dispositif de collimation du faisceau atomique. Les différentes étapes du refroidissement laser jusqu'au microkelvin sont présentées. Enfin, nous décrivons les implémentations du piège dipôle optique utilisé pour transporter le nuage atomique entre nos deux chambres à vide et piéger les atomes dans un réseau optique 2D.Nous présentons également en détail le travail effectué pour préparer l'étape d'imagerie de fluorescence de l'expérience. Nous décrivons un nouvel algorithme pour analyser les futures images du microscope et le comparons aux méthodes standards. Avec cet algorithme, nous explorons les limites de résolution et de rapport signal à bruit nécessaires pour reconstruire la distribution des atomes avec des sensibilités au site unique et à l'atome unique. Nous avons également effectué des calculs de lightshifts pour le strontium à 1064nm pour l'état fondamental et excité (3P1) afin d'évaluer les paramètres du piège pendant l'imagerie. Enfin, nous calculons la dynamique d'un atome piégé dans le réseau optique. Nous calculons le nombre de photons diffusés et la durée de vie de l'atome dans le piège et discutons des mécanismes de refroidissement mis en jeu.
Progrès vers l'imagerie par microscopie de fluorescence d'un gaz quantique de strontium Dans cette thèse, nous discutons des progrès réalisés dans le développement d'un microscope à gaz quantique pour l'étude de la dynamique hors équilibre dans des systèmes quantiques isolés après un quench. La perspective de ce travail est d'étudier la dynamique de relaxation des atomes de strontium dans un réseau optique 2D, décrit par le modèle de Bose-Hubbard.Nous présentons le dispositif expérimental développé pour le refroidissement et le piégeage du strontium par laser. En particulier, nous décrivons la simulation et la mise en œuvre d'un nouveau dispositif de collimation du faisceau atomique. Les différentes étapes du refroidissement laser jusqu'au microkelvin sont présentées. Enfin, nous décrivons les implémentations du piège dipôle optique utilisé pour transporter le nuage atomique entre nos deux chambres à vide et piéger les atomes dans un réseau optique 2D.Nous présentons également en détail le travail effectué pour préparer l'étape d'imagerie de fluorescence de l'expérience. Nous décrivons un nouvel algorithme pour analyser les futures images du microscope et le comparons aux méthodes standards. Avec cet algorithme, nous explorons les limites de résolution et de rapport signal à bruit nécessaires pour reconstruire la distribution des atomes avec des sensibilités au site unique et à l'atome unique. Nous avons également effectué des calculs de lightshifts pour le strontium à 1064nm pour l'état fondamental et excité (3P1) afin d'évaluer les paramètres du piège pendant l'imagerie. Enfin, nous calculons la dynamique d'un atome piégé dans le réseau optique. Nous calculons le nombre de photons diffusés et la durée de vie de l'atome dans le piège et discutons des mécanismes de refroidissement mis en jeu.
Construction d'un microscope à gaz quantiques de strontium Dans cette thèse, nous décrivons les avancées réalisées sur l'expérience de microscopie de gaz quantique de strontium du Laboratoire Charles Fabry. Il s'agit d'une expérience visant à réaliser un gaz quantique sur réseau à deux dimensions et à observer ce gaz en microscopie par fluorescence et pouvant résoudre les atomes individuels du gaz. Ce gaz est décrit par le modèle de Bose-Hubbard. À terme, l'objectif est l'étude de la dynamique hors-équillibre de ce système, en particulier la propagation des corrélations dans le régime critique de la transition de Mott.Une grande partie de cette thèse est dédiée à la production du gaz quantique. Nous présentons le dispositif expérimental mis en place à cet effet : pièges magnéto-optique sur la transition large ("bleue") et étroite ("rouge"), transport entre les deux chambres sur 30cm avec interférence entre pinces optiques croisées, réseaux optiques à 1064nm, procédure pour produire un condensat de Bose-Einstein de strontium 84, et enfin microscopie.Nous soulevons les difficultés rencontrées quant à la microscopie par fluorescence du strontium, sur la transition étroite et dans un réseau optique peu profond. Ces difficultés ont en partie pour cause la valeur de la polarisabilité différentielle du strontium à 1064nm et pour la transition étroite ¹S₀↔³P₁. Nous mesurons les composants du tenseur de polarisabilité différentielle à cette longueur d'onde et nous identifions une configuration expérimentale susceptible de conduire à une fluorescence efficace des atomes piégés dans les réseaux optiques. Nous présentons enfin les tentatives récentes de microscopie.
Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d’un nouveau dispositif pour atomes froids de strontium 84. Les expériences réalisées sur ce montage porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques hors équilibre. Cette dynamique est étudiée pour des gaz bidimensionnels sur réseau. Ce manuscrit de thèse s'attache à décrire la conception des systèmes optiques utilisés pour piéger et manipuler les gaz lors des expériences. En particulier, le montage optique utilisé pour le transport des atomes entre deux positions de l'enceinte à vide est présenté. La solution choisie pour la réalisation du piège bidimensionnel est elle aussi détaillée. Enfin, un microscope à gaz quantiques est mis en place afin de mesurer in situ les fonctions de corrélation spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège bidimensionnel. Une caractérisation du microscope est présentée dans ce manuscrit. Bien que la conception des différents systèmes optiques soit terminée dans sa première version, il nous reste quelques étapes de construction avant d'achever le montage de notre dispositif expérimental.
Microscopie de gaz quantique pour des fermions en espace continu Depuis leur émergence, les expériences d’atomes froids ont eu recours à des techniques d’imagerie globales, telles que l’imagerie par absorption, pour mesurer les densités des nuages atomiques. Cependant, ces dernières années, de nombreuses méthodes d’imagerie d’atomes individuels ont émergé comme des outils puissants utilisés pour sonder et manipuler les systèmes quantiques à N corps. Le présent travail se concentre en particulier sur la microscopie de gaz quantique utilisant le refroidissement Raman par bandes latérales dans un réseau optique. Cette technique, qui a été largement utilisée dans plusieurs groupes d’atomes froids, a principalement été appliquée à des systèmes évoluant en espace discret, comme ceux représentés à travers les modèles de Bose- et Fermi-Hubbard et leur généralisation. Dans cette thèse, nous montrons comment la microscopie de gaz quantique peut être étendue au-delà de son application initiale pour sonder de manière quantitative des systèmes à N corps dans l’espace continu. Nous proposons un protocole consistant en une montée rapide de l’intensité du réseau de confinement, ce qui projette les atomes du continu vers les sites discrets du réseau, suivie d’une étape de refroidissement Raman par bandes latérales qui confine les atomes autour de l’état vibrationnel fondamental et les empêche de s’échapper pendant l’imagerie. Pour tester l’efficacité de cette nouvelle méthode, nous caractérisons le processus de confinement et d’imagerie en utilisant la microscopie de gaz quantique pour reconstruire la fonction d’onde d’un paquet d’ondes gaussien associé à une particule individuelle durant son expansion libre. Dans des conditions optimales, nous atteignons une fidélité d’imagerie supérieure à 95%, définie comme la probabilité de projeter un atome du continu sur le site de réseau le plus proche et de l’imager correctement. Nous appliquons également cette technique à un gaz de Fermi quasi-bidimensionnel sans interactions, ce qui nous permet d’extraire des fonctions de corrélation à deux et trois corps, g2 et g3, avec une résolution spatiale sans précédent et de trouver un excellent accord avec la valeur théorique. En particulier, nos mesures révèlent une réduction de 90% de la probabilité de trouver deux atomes à courte distance pour les échantillons les plus froids, ce qui constitue l’une des observations in situ les plus précises du principe d’exclusion de Pauli dans un système continu. Enfin, nous proposons une méthode de thermométrie fondée sur les fluctuations du nombre d’atomes, qui sont facilement obtenues à partir de notre procédure d’imagerie. De manière cruciale, cette technique de thermométrie devrait pouvoir être généralisée à des systèmes fortement interactifs, où l’estimation de la température est généralement difficile. La technique de microscopie de gaz quantique développée ici ouvre de nouvelles voies pour étudier des systèmes à N corps dans l’espace continu avec une résolution sans précédent, offrant un outil puissant pour de futures expériences.
Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d'une nouvelle expérience d'atomes froids de strontium 84, depuis ses balbutiements jusqu'à l'obtention des pièges magnéto-optiques sur la raie large à 461 nm, puis sur la raie étroite à 689 nm.Les études menées avec cette expérience porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques placés initialement en situation hors-équilibre. Pour réaliser de telles expériences, un microscope à atomes sera mis en place prochainement et permettra de mesurer des fonctions de corrélations spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège optique bidimensionnel. C'est pourquoi, en parallèle du montage, des travaux ont été réalisés pour mettre au point un algorithme de reconstruction, indispensable au traitement des futures images obtenues par ce microscope. Ce manuscrit de thèse a pour objectif de détailler et justifier aussi précisément que possible les choix expérimentaux qui ont été effectués et de présenter le stade actuel d'avancement de l'algorithme de reconstruction d'images. Il reste encore quelques étapes de construction avant que le dispositif expérimental soit achevé: ajouter une chambre dans laquelle les mesures auront lieu, mettre en place le système d'imagerie et monter le système optique qui permettra de transporter les atomes entre les chambres à vide, les confiner dans un plan, d'effectuer la transition vers un condensat de Bose-Einstein et enfin les soumettre à un réseau optique bidimensionnel.
Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d'une nouvelle expérience d'atomes froids de strontium 84, depuis ses balbutiements jusqu'à l'obtention des pièges magnéto-optiques sur la raie large à 461 nm, puis sur la raie étroite à 689 nm.Les études menées avec cette expérience porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques placés initialement en situation hors-équilibre. Pour réaliser de telles expériences, un microscope à atomes sera mis en place prochainement et permettra de mesurer des fonctions de corrélations spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège optique bidimensionnel. C'est pourquoi, en parallèle du montage, des travaux ont été réalisés pour mettre au point un algorithme de reconstruction, indispensable au traitement des futures images obtenues par ce microscope. Ce manuscrit de thèse a pour objectif de détailler et justifier aussi précisément que possible les choix expérimentaux qui ont été effectués et de présenter le stade actuel d'avancement de l'algorithme de reconstruction d'images. Il reste encore quelques étapes de construction avant que le dispositif expérimental soit achevé: ajouter une chambre dans laquelle les mesures auront lieu, mettre en place le système d'imagerie et monter le système optique qui permettra de transporter les atomes entre les chambres à vide, les confiner dans un plan, d'effectuer la transition vers un condensat de Bose-Einstein et enfin les soumettre à un réseau optique bidimensionnel.
Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d'une nouvelle expérience d'atomes froids de strontium 84, depuis ses balbutiements jusqu'à l'obtention des pièges magnéto-optiques sur la raie large à 461 nm, puis sur la raie étroite à 689 nm.Les études menées avec cette expérience porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques placés initialement en situation hors-équilibre. Pour réaliser de telles expériences, un microscope à atomes sera mis en place prochainement et permettra de mesurer des fonctions de corrélations spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège optique bidimensionnel. C'est pourquoi, en parallèle du montage, des travaux ont été réalisés pour mettre au point un algorithme de reconstruction, indispensable au traitement des futures images obtenues par ce microscope. Ce manuscrit de thèse a pour objectif de détailler et justifier aussi précisément que possible les choix expérimentaux qui ont été effectués et de présenter le stade actuel d'avancement de l'algorithme de reconstruction d'images. Il reste encore quelques étapes de construction avant que le dispositif expérimental soit achevé: ajouter une chambre dans laquelle les mesures auront lieu, mettre en place le système d'imagerie et monter le système optique qui permettra de transporter les atomes entre les chambres à vide, les confiner dans un plan, d'effectuer la transition vers un condensat de Bose-Einstein et enfin les soumettre à un réseau optique bidimensionnel.