Le travail presente dans ce memoire comprend une serie d'etudes experimentales de l'interferometrie de type-Gerlach appliquee a un faisceau d'atomes d'hydrogene metastables. Cet interferometre agit sur les etats internes et externes enchevetres d'un atome et il a comme base l'effet Stern-Gerlach. Un atome dans une superposition coherente d'etats de spin traverse un profil du champ a gradients longitudinaux ou transverses localise dans la region d'interaction. Ainsi les paquets d'onde associes a chaque etat de spin sont separes dans l'espace. Le mouvement externe de l'atome est dedouble et il a un dephasage entre les composantes de la fonction d'onde. On a fait des etudes utilisant un champ magnetique soit continu independant du temps soit pulse dependant du temps. Dans le cas continu les figures d'interference montrent un effet dispersif et dans le cas pulse l'effet montre est non-dispersif du genre d'aharonov-bohm scalaire. En plus, on a montre la presence des phases topologiques dans les systemes atomiques. Les signaux mesures dans les experiences mentionnees comprennent les elements de la matrice densite du jet atomique dans la representation d'impulsion. Donc, on peut determiner les caracteristiques de la coherence du faisceau
Le travail presente dans ce memoire comprend une serie d'etudes experimentales de l'interferometrie de type-Gerlach appliquee a un faisceau d'atomes d'hydrogene metastables. Cet interferometre agit sur les etats internes et externes enchevetres d'un atome et il a comme base l'effet Stern-Gerlach. Un atome dans une superposition coherente d'etats de spin traverse un profil du champ a gradients longitudinaux ou transverses localise dans la region d'interaction. Ainsi les paquets d'onde associes a chaque etat de spin sont separes dans l'espace. Le mouvement externe de l'atome est dedouble et il a un dephasage entre les composantes de la fonction d'onde. On a fait des etudes utilisant un champ magnetique soit continu independant du temps soit pulse dependant du temps. Dans le cas continu les figures d'interference montrent un effet dispersif et dans le cas pulse l'effet montre est non-dispersif du genre d'aharonov-bohm scalaire. En plus, on a montre la presence des phases topologiques dans les systemes atomiques. Les signaux mesures dans les experiences mentionnees comprennent les elements de la matrice densite du jet atomique dans la representation d'impulsion. Donc, on peut determiner les caracteristiques de la coherence du faisceau
Ce memoire presente un ensemble d'etudes experimentales et theoriques sur l'interferometrie atomique stern-gerlach utilisant des atomes d'hydrogene metastables. Les themes abordes sont : 1) la determination de l'evolution du systeme atomique dont le mouvement externe est decrit par une onde libre : c'est la methode du lancer de rayons. Elle procede comme suit : la fonction d'onde initiale est decomposee en ondes planes sur lesquelles sont calculees les cartes de la polarisation atomique, dans l'espace et au cours du temps. Puis, ayant dresse la cartographie de cette polarisation, nous en deduisons la propagation de l'onde. Lorsque les conditions de validite du lancer de rayon sont reunies, nous avons un procede tres efficace pour determiner l'evolution de la fonction d'onde. 2) les effets lies a l'extension spatiale transverse du faisceau et a l'inhomogeneite transverse du potentiel magnetique. La prise en compte de ces inhomogeneites est essentielle a la comprehension de phenomenes dont on peut difficilement rendre compte dans un modele unidimensionnel. Nous montrons ainsi que l'inhomogeneite transverse est la cause principale de la decoherence de spin et du signal de l'interferometre en configuration mach-zehnder longitudinal. 3) nous traitons egalement du role de la chronologie des evenements en interferometrie atomique stern-gerlach. D'une part la manipulation de la statistique temporelle du faisceau atomique nous a permis d'ameliorer le contraste du signal interferentiel. D'autre part, nous avons pu, pour la premiere fois en optique atomique, realiser des experiences de choix differe mettant en jeu les fondements de la mecanique quantique. L'ensemble de ces resultats montre les possibilites de l'interferometrie atomique stern-gerlach en tant que puissant outil d'investigation de phenomenes aussi bien fondamentaux qu'appliques.
Dans l'interferometrie atomique de stern-gerlach, qui porte sur un faisceau atomique polarise en spin, le potentiel exterieur est l'operateur energie zeeman. Dans l'experience avec gradient transverse, realisee sur un faisceau d'atomes metastables d'hydrogene, le champ b utilise est celui d'un quadrupole : b, comme le dephasage, est proportionnel a la distance a l'axe. On s'attend alors, dans un plan transverse situe a la sortie de l'interferometre, a une figure d'interference consistant en un spot central brillant entoure de franges annulaires de moins en moins contrastees. La figure dans son ensemble peut etre deplacee arbitrairement dans le plan transverse en ajoutant un champ uniforme. Ces previsions sont entierement confirmees par l'experience. Comme le montrent des simulations, cette methode de modulation interferentielle du profil d'un faisceau peut etre appliquee a la lithographie atomique, a une echelle submicrometrique. L'interaction de van der waals entre un atome metastable et une surface aux distances intermediaires (quelques 10 nm), est un second exemple de potentiel exterieur, avec cette particularite qu'il presente, pour les atomes de gaz rares du neon au xenon, un terme non diagonal couplant entre eux les deux niveaux metastables 3p 0 et 3p 2, la symetrie du probleme laissant prevoir la production d'atomes 3p 2 polarises. La forte exothermicite de cette transition accroit, d'un facteur 2 a 3, la vitesse de l'atome et communique a celui-ci une deflexion importante (60 a 70\). Ces particularites cinematiques nous ont permis d'observer la transition 3p 0- 3p 2 sans ambiguite, malgre la faiblesse du signal detecte, en utilisant comme surface l'un des bords d'une fente de cuivre. L'utilisation future d'un reseau de micro-fentes devrait beaucoup faciliter cette observation et apporter des informations sur la diffraction atomique inelastique par un reseau, c'est a dire sur la coherence du processus, et sur son usage eventuel en interferometrie atomique.
Ce travail relate la construction et les premiers resultats obtenus avec un interferometre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon metastable, de moment angulaire 2, prepare et selectionne en spin par lasers. Ses performances sont comparees a celles d'un interferometre du meme type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogene metastable, de moment angulaire 1. Pour realiser un interferometre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte a vide traversee par un jet d'atomes polarises puis analyses en spin apres une evolution dans une zone de champ magnetique bien controle. Ceci est realise par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associees a une optique fibree. Les transitions choisies etaient fixees autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnetique du coeur de l'interferometre est realisee par un circuit magnetique centre sur l'axe du jet atomique, protege par un blindage magnetique. En employant un detecteur sensible a la position, nous avons mis en evidence la grande sensibilite de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique a la place d'un jet effusif. Le signal interferometrique depend alors bien plus finement des details du profil magnetique. Cette propriete est mise en evidence par l'apparition dans les figures d'interferences de structures inattendues liees aux effets de phase geometrique traduisants l'evolution du spin 2 dans un champ magnetique conique. Ces resultats permettent de guider la reflexion sur l'application de cet interferometre, tant vers des experiences visant la nanolithographie, qu'a des etudes plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les etudes deja realisees sur l'hydrogene.
Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.
Ce manuscrit decrit l'utilisation d'un nouveau type de potentiels en interferometrie atomique stern-gerlach. L'objet de l'interferometrie atomique est la realisation d'interferogrammes a partir d'ondes de matiere, des atomes d'hydrogene metastable (h2s) dans notre cas. En interferometrie atomique stern-gerlach, un degres de liberte de translation des particules est enchevetre avec leur moment magnetique quantifie ce qui classe cette technique dans la famille des interferometres de polarisation. Ils permettent d'obtenir des interferogrammes sensibles aux champs magnetiques. D'un autre cote, l'interferometrie atomique a connu un formidable essor ces dernieres annees grace a l'emergence des techniques de refroidissement par laser qui permettent de diminuer grandement la vitesse moyenne des particules. L'hydrogene ne pouvant beneficier de ces techniques, nous avons realise puis experimente un profil de champ magnetique se deplacant a des vitesses proches des vitesses atomiques, d'ou le terme comobile. Cela permet de disposer de faibles vitesses relatives des particules par rapport au champ et de palier en partie a l'impossibilite du refroidissement. Ces champs dependent de la position (x) et du temps (t) essentiellement par l'intermediaire de la variable x-ut et sont crees par l'utilisation de huit fils helicoidaux (de periode spatiale l) parcourus par des courants alternatifs de frequence (n). On a alors u=nl, ce qui rend la vitesse de deplacement du champ ajustable. La transmission d'un interferometre dans lequel ces champs sont utilises depend alors tres fortement de la vitesse de la particule incidente, formant alors un filtre interferentiel pour onde de broglie ce que nous avons experimentalement demontre. Nous avons aussi realise une version champ comobiles de l'experience historique de ramsey a champs oscillants separes. L'utilisation de courants de frequence variable permet d'engendrer toutes les dependances de la phase atomique en fonction de la vitesse des particules (dispersion). Une application au cas du chirp est donnee. Enfin, nous montrons que des champs comobiles polarises circulairement permettent d'etudier la phase topologique dans tous les regimes d'adiabaticite.
L'interferometre atomique stern-gerlach se base sur l'interaction du moment magnetique des atomes avec un potentiel magnetique ; l'effet stern-gerlach correspond au couplage de ce moment a une variable de translation du centre de masse, et rend possible la separation spatiale du faisceau atomique lors de la superposition coherente. Deux applications utilisant ce dispositif sont presentees. La premiere concerne l'introduction de champs magnetiques d'interaction se deplacant a des vitesses de l'ordre des vitesses atomiques, ou champs comobiles. De tels champs ont permis de mettre en evidence un effet de filtre en vitesse correspondant a la selection de la vitesse resonnante (la vitesse atomique egale a la vitesse de deplacement du champ) ; on montre que la transmission de ce filtre interferentiel ne depend que du nombre de periodes spatiales du potentiel comobile. Une configuration a deux zones de champs comobiles, analogue a celle de ramsey dans le domaine des radio-frequences, a aussi permis de montrer qu'on peut augmenter la sensibilite aux changements de vitesse du dispositif. La seconde application concerne l'utilisation d'une succession de deux interferometres, ou double-interferometre. Les resultats obtenus s'interpretent comme lies a un effet zenon quantique, qui s'observerait idealement dans la limite d'une succession d'un nombre arbitrairement grand d'interferometres, correspondant alors a une situation d'observation quasi-continue du systeme. Le passage, pouvant s'operer continument, d'une configuration d'interferometre simple a double objet de phase a celle du double interferometre est par ailleurs etudie.