Effets résonants et cohérents dans un cristal dopé aux ions erbium : oscillations cohérentes de population et transparence induite électromagnétiquement
L'excitation optique résonante de systèmes atomiques permet de bénéficier d'une réponse non linéaire exacerbée, qui ouvre la voie au traitement de la lumière par la lumière, même à faible intensité lumineuse. Certaines interactions lumière matière cohérentes permettent en outre de s'affranchir de la forte absorption associée à la résonance. Dans cette thèse deux effets cohérents et résonants ont été explorés dans un cristal d'Y2SiO5 (YSO) dopé aux ions erbium, isotope 167 : les oscillations cohérentes de populations (OCP) et la transparence induite électromagnétiquement (TIE). Les OCP ont lieu dans un système à deux niveaux, excité par un faisceau d'intensité lentement variable. Dans cette thèse, les OCP ont notamment été utilisées pour ralentir la vitesse de propagation de la lumière dans le cristal à 3 m/s. Nous avons également démontré le bénéfice que représente l'élargissement inhomogène pour ajuster ralentissement et transmission. La TIE est obtenue dans un système à 3 niveaux dit ``en lambda'' en excitant la cohérence Raman entre les 2 niveaux fondamentaux par 2 faisceaux optiques cohérents. Lors de la caractérisation de la structure hyperfine de l'erbium 167 dans YSO par spectroscopie par résonance paramagnétique électronique et creusement spectral nous avons mis en évidence plusieurs systèmes en lambda, utilisables pour la TIE. Un dispositif expérimental basé sur le filtrage d'une bande latérale issu de la modulation d'amplitude d'un faisceau laser continu a permis d'observer la TIE pour la première fois dans la matière condensée à 1.536 micron.
L'excitation optique résonante de systèmes atomiques permet de bénéficier d'une réponse non linéaire exacerbée, qui ouvre la voie au traitement de la lumière par la lumière, même à faible intensité lumineuse. Certaines interactions lumière matière cohérentes permettent en outre de s'affranchir de la forte absorption associée à la résonance. Dans cette thèse deux effets cohérents et résonants ont été explorés dans un cristal d'Y2SiO5 (YSO) dopé aux ions erbium, isotope 167 : les oscillations cohérentes de populations (OCP) et la transparence induite électromagnétiquement (TIE). Les OCP ont lieu dans un système à deux niveaux, excité par un faisceau d'intensité lentement variable. Dans cette thèse, les OCP ont notamment été utilisées pour ralentir la vitesse de propagation de la lumière dans le cristal à 3 m/s. Nous avons également démontré le bénéfice que représente l'élargissement inhomogène pour ajuster ralentissement et transmission. La TIE est obtenue dans un système à 3 niveaux dit ``en lambda'' en excitant la cohérence Raman entre les 2 niveaux fondamentaux par 2 faisceaux optiques cohérents. Lors de la caractérisation de la structure hyperfine de l'erbium 167 dans YSO par spectroscopie par résonance paramagnétique électronique et creusement spectral nous avons mis en évidence plusieurs systèmes en lambda, utilisables pour la TIE. Un dispositif expérimental basé sur le filtrage d'une bande latérale issu de la modulation d'amplitude d'un faisceau laser continu a permis d'observer la TIE pour la première fois dans la matière condensée à 1.536 micron.
Les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.
Ce travail de thèse est consacré à l'exploration de méthodes cohérentes pour la manipulation des états internes d'une nuage atomique. L'objectif final est de créer un schéma pour la réalisation d'une mémoire quantique capable de stocker l'état quantique d'une impulsion lumineuse dans une cohérence atomique. J'ai exploré deux différentes réalisations expérimentales, les deux basées sur la transparence induite électromagnétiquement dans un système à trois niveaux en configuration Lambda. La première réalisation est basée sur sous-niveaux Zeeman d'atomes de césium à température ambiante (réalisé dans le groupe de E. Giacobino au LKB, Paris) en s'appuyant sur la ligne D2. En présence d élargissement Doppler l'effet EIT est fortement réduite en raison de la présence de transitions adjacentes. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la réponse optique du système, comprenant les contributions des transitions hors résonance. Nous avons ensuite vérifié expérimentalement le modèle et trouvé une méthode pour améliorer la transparence optique basée sur un de-pompage sélectif en vitesse. La deuxième réalisation est basée sur les états hyperfins de atomes de rubidium ultra-froids piégés dans une micro-piège magnétique (réalisé dans le groupe de F.S. Cataliotti au LENS, Firenze). Dans cette expérience, nous avons observé une forte réduction (près de 6 ordres de grandeur) de la vitesse de la lumière dans l'ensemble atomique, une étape fondamentale vers la réalisation de stockage d'information cohérente. Nous avons développé également une méthode pour mesurer la phase relative entre deux impulsions de lumière en utilisant l'interférométrie atomique
Ce travail vise à étudier les mécanismes à l'origine d'une perte de cohérence dans les cristaux d'orthosilicate d'yttrium dopés aux ions de terre, en vue de leur utilisation au sein de mémoires quantiques. L'approche utilisée est théorique et numérique, et se concentre sur trois ions dopants : europium, praséodyme et ytterbium. Les mémoires quantiques sont des éléments clefs des futurs réseaux de communication quantique. Ces dernières permettent en particulier d'étendre les distances sur lesquelles l'information quantique peut être propagée, par leur implication dans la conception de répéteurs. Diverses conceptions de ces mémoires sont possibles, tant en termes de protocoles que de supports. Un support à l'état de l'art attire toutefois notre attention : les cristaux d'orthosilicate d'yttrium dopés aux ions de terre rare. Ces derniers sont reconnus pour présenter des temps de cohérence exceptionnels sur leurs transitions de spin et de bonnes capacités de multiplexage. Nous nous pencherons sur leur utilisation avec les protocoles d'écho de spin et AFC (Atomic Frequency Comb). L'interaction lumière-matière entre le cristal et l'impulsion lumineuse portant l'information à stocker mène cette dernière à être portée par une cohérence sur une transition atomique des ions dopants, plus précisément une transition de spin dans le cadre de notre étude. Cette cohérence est toutefois difficile à maintenir au cours du temps, à cause des interactions dipôle-dipôle entre les ions dopants et les spins environnants, à savoir les ions yttrium de la matrice cristalline. Or, l'émission de l'information après le temps de stockage se fait par effets collectifs cohérents. L'intensité radiée est directement reliée à la force des cohérences dans le système. Il a cependant été observé que l'application d'un champ magnétique statique influence le temps de cohérence dans ces ensembles, à la fois par son amplitude et son orientation. Dans l'optique de déterminer pour chaque dopant étudié les conditions magnétiques favorables à l'obtention d'un temps de cohérence maximal, nous avons conçu un simulateur reproduisant le comportement d'un ion dopant et des spins environnants les plus proches. Ce dernier nous permet d'analyser les mécanismes sources de décohérence à ion unique en fonction de l'amplitude et de la direction du champ magnétique appliqué. Les plages de champs étudiés seront le champ faible et intermédiaire (microTesla-milliTesla), et le régime de champ fort (Tesla). Les données des simulations ont été comparées à des données expérimentales avec succès, validant ainsi la fidélité de notre modèle sur les temps de cohérence obtenus. En analysant les déclins de cohérence et les fréquences en jeu dans l'évolution temporelle de ces derniers, nous avons pu identifier des régimes de champs magnétiques correspondant à différents mécanismes de changements de spin dans le système, induits par les couplages dipôle-dipôle entre l'ion central et le bain de spin. Nous nous sommes également intéressés à un régime de champ particulier, le ZEFOZ (Zero-First-Order-Zeeman), reconnu pour ses temps de cohérence records. Nous avons pu identifier que l'origine de la perte de cohérence n'est pas dans la multiplication des changements de spins au sein du système, mais dans la désynchronisation de ces changements entre les deux niveaux de la transition de spin. Au point ZEFOZ, cette désynchronisation est minimale. Nous avons enfin pu exploiter les capacités prédictives de notre simulateur pour déterminer les temps de cohérence maximaux obtenus en fonction de l'orientation et de l'amplitude du champ magnétique. Notre approche ouvre la voie vers une compréhension plus approfondie des mécanismes sources de décohérence dans les cristaux dopés aux ions de terre rare, et des comportements propres aux ions étudiés en fonction du champ magnétique appliqué.
Ce travail vise à étudier les mécanismes à l'origine d'une perte de cohérence dans les cristaux d'orthosilicate d'yttrium dopés aux ions de terre, en vue de leur utilisation au sein de mémoires quantiques. L'approche utilisée est théorique et numérique, et se concentre sur trois ions dopants : europium, praséodyme et ytterbium. Les mémoires quantiques sont des éléments clefs des futurs réseaux de communication quantique. Ces dernières permettent en particulier d'étendre les distances sur lesquelles l'information quantique peut être propagée, par leur implication dans la conception de répéteurs. Diverses conceptions de ces mémoires sont possibles, tant en termes de protocoles que de supports. Un support à l'état de l'art attire toutefois notre attention : les cristaux d'orthosilicate d'yttrium dopés aux ions de terre rare. Ces derniers sont reconnus pour présenter des temps de cohérence exceptionnels sur leurs transitions de spin et de bonnes capacités de multiplexage. Nous nous pencherons sur leur utilisation avec les protocoles d'écho de spin et AFC (Atomic Frequency Comb). L'interaction lumière-matière entre le cristal et l'impulsion lumineuse portant l'information à stocker mène cette dernière à être portée par une cohérence sur une transition atomique des ions dopants, plus précisément une transition de spin dans le cadre de notre étude. Cette cohérence est toutefois difficile à maintenir au cours du temps, à cause des interactions dipôle-dipôle entre les ions dopants et les spins environnants, à savoir les ions yttrium de la matrice cristalline. Or, l'émission de l'information après le temps de stockage se fait par effets collectifs cohérents. L'intensité radiée est directement reliée à la force des cohérences dans le système. Il a cependant été observé que l'application d'un champ magnétique statique influence le temps de cohérence dans ces ensembles, à la fois par son amplitude et son orientation. Dans l'optique de déterminer pour chaque dopant étudié les conditions magnétiques favorables à l'obtention d'un temps de cohérence maximal, nous avons conçu un simulateur reproduisant le comportement d'un ion dopant et des spins environnants les plus proches. Ce dernier nous permet d'analyser les mécanismes sources de décohérence à ion unique en fonction de l'amplitude et de la direction du champ magnétique appliqué. Les plages de champs étudiés seront le champ faible et intermédiaire (microTesla-milliTesla), et le régime de champ fort (Tesla). Les données des simulations ont été comparées à des données expérimentales avec succès, validant ainsi la fidélité de notre modèle sur les temps de cohérence obtenus. En analysant les déclins de cohérence et les fréquences en jeu dans l'évolution temporelle de ces derniers, nous avons pu identifier des régimes de champs magnétiques correspondant à différents mécanismes de changements de spin dans le système, induits par les couplages dipôle-dipôle entre l'ion central et le bain de spin. Nous nous sommes également intéressés à un régime de champ particulier, le ZEFOZ (Zero-First-Order-Zeeman), reconnu pour ses temps de cohérence records. Nous avons pu identifier que l'origine de la perte de cohérence n'est pas dans la multiplication des changements de spins au sein du système, mais dans la désynchronisation de ces changements entre les deux niveaux de la transition de spin. Au point ZEFOZ, cette désynchronisation est minimale. Nous avons enfin pu exploiter les capacités prédictives de notre simulateur pour déterminer les temps de cohérence maximaux obtenus en fonction de l'orientation et de l'amplitude du champ magnétique. Notre approche ouvre la voie vers une compréhension plus approfondie des mécanismes sources de décohérence dans les cristaux dopés aux ions de terre rare, et des comportements propres aux ions étudiés en fonction du champ magnétique appliqué.
L'interaction entre des champs électromagnétiques et des systèmes à plusieurs niveaux peut donner lieu à différents processus cohérents. La transparence électromagnétiquement induite (EIT) ou les oscillations cohérentes de populations (CPO) sont des phénomènes résonnants ayant pour conséquence d'annuler l'absorption du système pour un champ sonde. L'EIT se produit dans les systèmes à trois niveaux et met en jeu une cohérence entre niveaux non couplés optiquement, alors que les systèmes à deux niveaux suffisent pour faire apparaître le CPO qui ne met pas en jeu la dynamique des cohérences.Il est possible dans un milieu constitué d'atomes d'hélium métastable à température ambiante d'extraire un système à trois niveaux en Λ qui, lorsqu'il est excité par des polarisations circulaires, fait apparaître des fenêtres EIT de l'ordre de quelques dizaines de kHz de large. Lorsque ce système est excité par des polarisations linéaires et soumis à un champ magnétique de faible amplitude, c'est l'association des deux phénomènes de CPO et d'EIT qui détermine la réponse du système. Une fenêtre de transparence CPO de quelques dizaines de kHz de large a en particulier été observée.Ce type de phénomènes résonnants est associé à de grandes variations de l'indice de réfraction avec la fréquence du champ sonde, ayant pour conséquence de profondes modifications de la vitesse de groupe d'une impulsion se propageant dans le milieu. Notre système expérimental permet ainsi d'observer de la lumière lente, de la lumière rapide ainsi que des vitesses de groupe négatives. L'insertion de tels milieux dispersifs en cavité optique a été suggérée pour augmenter la précision de senseurs comme les gyroscopes lasers, mais leur bruit fondamental dépend de la durée de vie des photons dans la cavité. C’est pourquoi l’influence des milieux hautement dispersifs sur la durée de vie des photons dans une cavité est étudiée expérimentalement et théoriquement.
Parce qu'il permet une interaction lumière-matière forte, contrôlable, et cohérente, le phénomène de transparence induite électromagnétiquement (EIT) trouve aujourd'hui des applications dans un champ très large de la physique. Cependant, sur la raie D2 du 133Cs, la transparence expérimentalement mesurée est très faible en présence d'élargissement inhomogène. Nous menons donc une étude théorique qui prend en compte les multiples niveaux excités de la raie et précise leur influence sur l'EIT. Elle conclut à l'existence de classes de vitesses atomiques particulières, responsables de la diminution de la transparence. Nous proposons alors une méthode originale permettant de restaurer l'EIT en creusant localement la distribution de vitesses. L'augmentation ainsi prévue de la transparence est ensuite vérifiée expérimentalement. Deux expériences de mémoire par EIT sont ensuite présentées. Dans la première, deux quadratures orthogonales d'une bande latérale unique sont stockées dans une vapeur chaude de cesium, puis relues sans mesurer d'excès de bruit. Dans la seconde, le stockage d'un état cohérent en régime de photon unique est obtenu dans un nuage d'atomes froids. Afin de préparer le stockage de lumière non classique, l'asservissement de la mesure d'un état comprimé sur une quadrature fixe a été réalisé. Ce montage doit permettre de démontrer l'intrication déterministe de deux ensembles atomiques.