Optique atomique quantique avec des atomes d'hélium métastables Les propriétés de corrélation et d’intrication de certains états quantiques à multiples particules ont été mises en évidence à partir des années 80, dans le cadre de la photonique. Depuis lors, la production et caractérisation d’états non-classiques dans divers contextes est devenue une thématique de recherche très féconde, ainsi qu’un important enjeu pour le développement des technologies quantiques. Cette thèse présente une plateforme expérimentale permettant de préparer des atomes d’hélium dans des états d’impulsion forte-ment corrélés. Le dispositif de détection qui a été développé dans notre groupe (à trois dimensions et résolu à l’atome unique) permet de sonder efficacement ces propriétés de corrélation, ce qui est en général difficilement réalisable pour la plupart des montages expérimentaux similaires.Plus particulièrement, ce manuscrit contient une première partie théorique qui traite d’une part de la généralisation de l’effet Hong-Ou-Mandel dans un contexte à multiples particules, et d’autre part de la mise œuvre d’une expérience de test des inégalités de Bell pour des atomes intriqués en vitesse. Ces deux expériences pourraient être réalisées prochainement dans notre équipe. Une seconde partie expérimentale rend compte des ré-cents progrès effectués sur la plateforme, ainsi que les derniers résultats expérimentaux concernant les propriétés de corrélation de la source atomique que nous avons mise en place.
Optique atomique quantique avec des atomes d'hélium métastables Les propriétés de corrélation et d’intrication de certains états quantiques à multiples particules ont été mises en évidence à partir des années 80, dans le cadre de la photonique. Depuis lors, la production et caractérisation d’états non-classiques dans divers contextes est devenue une thématique de recherche très féconde, ainsi qu’un important enjeu pour le développement des technologies quantiques. Cette thèse présente une plateforme expérimentale permettant de préparer des atomes d’hélium dans des états d’impulsion forte-ment corrélés. Le dispositif de détection qui a été développé dans notre groupe (à trois dimensions et résolu à l’atome unique) permet de sonder efficacement ces propriétés de corrélation, ce qui est en général difficilement réalisable pour la plupart des montages expérimentaux similaires.Plus particulièrement, ce manuscrit contient une première partie théorique qui traite d’une part de la généralisation de l’effet Hong-Ou-Mandel dans un contexte à multiples particules, et d’autre part de la mise œuvre d’une expérience de test des inégalités de Bell pour des atomes intriqués en vitesse. Ces deux expériences pourraient être réalisées prochainement dans notre équipe. Une seconde partie expérimentale rend compte des ré-cents progrès effectués sur la plateforme, ainsi que les derniers résultats expérimentaux concernant les propriétés de corrélation de la source atomique que nous avons mise en place.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.
Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.
Contrôle de phase et façonnage d'impulsion de la diffraction de Bragg pour l'optique atomique quantique : des interférences d'ondes de matière à un test d'inégalité de Bell La mécanique quantique est une théorie qui décrit le comportement des systèmes physiques à l'échelle microscopique. Fondamentalement différente de la physique classique, elle prédit des résultats parfois contraires à l'intuition classique, et notamment le phénomène d'intrication, qui prévoit que pour un système de deux particules dites intriquées, on ne peut pas décrire chaque particule indépendamment. La mesure d'une observable physique sur une particule affecte également l'autre, quelle que soit la distance entre les particules, donnant lieu à l'observation de très fortes corrélations.Une façon de caractériser un système intriqué est de réaliser un test d'inégalité de Bell, qui consiste à mettre en évidence des corrélations si fortes qu'elles ne peuvent pas être expliquées non seulement par la théorie classique, mais par aucune théorie à variables cachées locale. Si de tels tests ont été réalisés avec des photons depuis les années 1980 avec les expériences d'Aspect à Orsay, le projet décrit dans cette thèse se propose de mettre en place un interféromètre de Bell mettant en jeu des atomes d'hélium métastables intriqués en impulsion. A partir d'atomes préparés dans un état quantique bien défini grâce au phénomène de condensation de Bose-Einstein, des paires d'atomes fortement corrélées sont émises à des impulsions différentes par le processus de mélange à quatre ondes, puis les atomes sont envoyés dans un interféromètre à deux particules et quatre modes d'impulsion. Pour cela, on utilise la diffraction de Bragg, pour transférer de l'impulsion aux atomes de façon cohérente et ainsi former des miroirs et séparatrices à atomes.Dans cette thèse, on étudie en détails la diffraction de Bragg et son influence dans la réalisation d'un interféromètre de Bell. On propose une méthode originale pour contrôler la différence de phase imprimée sur les atomes entre les deux doublets d'impulsion en jeu, en modulant temporellement l'amplitude de la pulsation de Rabi. Cette technique est également mise à profit pour façonner le profil temporel des miroirs et séparatrices Bragg afin d'améliorer leurs propriétés de réflectivité et de phase. Une étude théorique et expérimentale est réalisée pour déterminer les performances accessibles avec ces miroirs et séparatrices. De premiers tests interférométriques sont reportés (interféromètres de type Mach-Zehnder, Ramsey, Hong-Ou-Mandel), validant la technique de contrôle de phase notamment et donnant des résultats prometteurs quant à la réalisation prochaine d'un test de Bell.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Vers la réalisation du test d’inégalité de Bell avec les atomes corrèle en impulsion Ce manuscrit décrit des expériences d’optique atomique quantique utilisant un détecteur résolu en impulsions d’atomes uniques d’hélium métastable. La première partie du manuscrit décrit la mesure de cohérence de deuxième ordre de la superradiance à partir d’un condensat de Bose-Einstein d’helium métastable. Bien que le condensat soit cohérent et le gain du processus de superradiance élevé, celle-ci montre toujours une statistique thermique comme celle de l’émission spontanée. La suite du manuscrit est dédiée au test de la non localité d’une source atomique corrélée en impulsion. Le schéma du test s’inspire d’une réalisation faite par Rarity et Tapster sur des photons intriqués en impulsion. Les ingrédients principaux d’un tel schéma sont la source atomique générée par instabilité dynamique du condensat dans un réseau optique en mouvement, le contrôle cohérent des atomes par diffraction de Bragg et la mesure de la corrélation des atomes dans les différentes voies de sortie du schéma interférométrique. Un point clé est le contrôle et la manipulation de la phase des ondes atomiques. Le chapitre 3 décrit les tests sur le contrôle cohérent par diffraction de Bragg et leurs résultats encourageants. La nature non classique de notre source atomique est démontrée par l’observation d’une interférence à deux particules en les envoyant sur une séparatrice atomique. Cet analogue atomique de l’expérience de Hong Ou et Mandel est le sujet du dernier chapitre de ce manuscrit. Le résultat de cette expérience ouvre la possibilité du test d’inégalité de Bell avec des particules massives corrélées sur des degrés de liberté externe.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.