Modèles théoriques pour collisions ultra froids entre atomes-ions dans les géométries confinées Les systèmes composés d'atomes et d'ions ultrafroids ont étés un sujet d'intérêt pour les physiciens atomiques et, plus récemment, pour la communauté des ions froids (simulation et calcul quantique avec des ions piégés). Ils sont considéré la possibilité d'utiliser un gaz d'atomes ultrafroids pour refroidir sympathiquement les ions car la modulation intrinsèque du mouvement, le micromouvement, représente une source de décohérence dans les applications des ions froids. L'intérêt envers ce système mixte est aussi motivé par l'étude de la physique d'impuretés et par une meilleure compréhension des réactions entre espèces ioniques et neutre ayant pour but la création d'ions moléculaires. Cette thèse a pour objectif d'étudier les effets du micromouvement dans les collisions atome-ion. Nous traitons au préalable les collisions à 1D d'une particule dans un piège harmonique (un ion) et d'un particule libre (une atome) en utilisant différentes approches numériques. Ce système est intéressant en soi en raison de la dimensionnalité mixte 0D-1D. Le potentiel atome-ion est modélisé par une interaction à portée nulle tout au cours de ce travail. Par la suite, nous traitons un problème similaire mais dans le cas d'une particule dans un piège harmonique décrivant un piège de Paul. Enfin, nous généralisons l'étude du micromouvement à un système modèle 3D avec un ion dans un piège de Paul sphérique 3D et un atome lourd au centre du piège. Nous discutons de l'influence du micromouvement en vue d'applications potentielles de ce système telle que la porte logique de phase.
Modèles théoriques pour collisions ultra froids entre atomes-ions dans les géométries confinées Les systèmes composés d'atomes et d'ions ultrafroids ont étés un sujet d'intérêt pour les physiciens atomiques et, plus récemment, pour la communauté des ions froids (simulation et calcul quantique avec des ions piégés). Ils sont considéré la possibilité d'utiliser un gaz d'atomes ultrafroids pour refroidir sympathiquement les ions car la modulation intrinsèque du mouvement, le micromouvement, représente une source de décohérence dans les applications des ions froids. L'intérêt envers ce système mixte est aussi motivé par l'étude de la physique d'impuretés et par une meilleure compréhension des réactions entre espèces ioniques et neutre ayant pour but la création d'ions moléculaires. Cette thèse a pour objectif d'étudier les effets du micromouvement dans les collisions atome-ion. Nous traitons au préalable les collisions à 1D d'une particule dans un piège harmonique (un ion) et d'un particule libre (une atome) en utilisant différentes approches numériques. Ce système est intéressant en soi en raison de la dimensionnalité mixte 0D-1D. Le potentiel atome-ion est modélisé par une interaction à portée nulle tout au cours de ce travail. Par la suite, nous traitons un problème similaire mais dans le cas d'une particule dans un piège harmonique décrivant un piège de Paul. Enfin, nous généralisons l'étude du micromouvement à un système modèle 3D avec un ion dans un piège de Paul sphérique 3D et un atome lourd au centre du piège. Nous discutons de l'influence du micromouvement en vue d'applications potentielles de ce système telle que la porte logique de phase.
Ce travail concerne les mecanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moleculaires formes au cours de collisions inelastiques ultra-froides. Ces collisions sont etudiees experimentalement dans des pieges hybrides melant un piege d'atomes ultra-froids et un piege d’ions refroidis par laser. Nous avons effectue une analyse theorique systematique des collisions binaires, assistees par la lumiere, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est decrite par des calculs de chimie quantique bases sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs tres precis. La formation d’ions moleculaires par 'association radiative est predite efficace pour tous les systemes etudies, avec une section efficace deux a dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculees et comparees aux valeurs experimentales disponibles. Des resonances de forme sont attendues avec une largeur tres faible, et pourraient etre observees avec la meilleure resolution experimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi ete calculees. Elles montrent que les ions moleculaires formes ne sont pas crees dans leur etat vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montre que ces ions moleculaires pouvaient etre photodissocies par les lasers utilises dans l’experience pour le refroidissement et le piegeage. Par ailleurs nous avons etudie la relaxation vibrationnelle des ions formes. Dans les echelles de temps des differentes experiences, nous avons montre que celle-ci ne resulte pas d'une relaxation radiative associee au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutot a des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi etudie cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des experiences en cours. Nous avons decrit le calcul du potentiel d'interaction necessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la resolution desequations couplees multi-voies. En particulier il a ete montre, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'etat a etat (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent etre donc simplifies en traitant l'ion a un electron actif comme etant dans un etat de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'etude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite a des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte a des difficultes supplementaires: (i) l'echange des atomes identiques conduisant a des collisions reactives qui induisent des pertes dans le piege. (ii) la forte densite d'etats internes due a la lourde masse du systeme. (iii) les interactions inter-voies encore presentes a tres longues distances du fait cette forte densite. Neanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observee dans les surfaces d'energie potentielle conduit a la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait etre tres generale pour les ions moleculaires triatomiques presentant une forte anisotropie a courte distances et qui sont couramment utilises dans les pieges hybrides.
Ce travail concerne les mécanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moléculaires formes au cours de collisions inélastiques ultra-froides. Ces collisions sont étudiées expérimentalement dans des pièges hybrides mêlant un piège d'atomes ultra-froids et un piège d’ions refroidis par laser. Nous avons effectué une analyse théorique systématique des collisions binaires, assistées par la lumière, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est décrite par des calculs de chimie quantique basés sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs très précis. La formation d’ions moléculaires par 'association radiative est prédite efficace pour tous les systèmes étudiés, avec une section efficace deux à dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculées et comparées aux valeurs expérimentales disponibles. Des résonances de forme sont attendues avec une largeur très faible, et pourraient être observées avec la meilleure résolution expérimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi été calculées. Elles montrent que les ions moléculaires formés ne sont pas créés dans leur état vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montré que ces ions moléculaires pouvaient être photodissociés par les lasers utilisés dans l’expérience pour le refroidissement et le piégeage. Par ailleurs nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des ions formés. Dans les échelles de temps des différentes expériences, nous avons montré que celle-ci ne résulte pas d'une relaxation radiative associée au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutôt à des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi étudié cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des expériences en cours. Nous avons décrit le calcul du potentiel d'interaction nécessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la résolution deséquations couplées multi-voies. En particulier il a été montré, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'état à état (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent être donc simplifiés en traitant l'ion à un électron actif comme étant dans un état de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'étude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite à des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte à des difficultés supplémentaires: (i) l'échange des atomes identiques conduisant à des collisions réactives qui induisent des pertes dans le piège. (ii) la forte densité d'états internes due à la lourde masse du système. (iii) les interactions inter-voies encore présentes à très longues distances du fait cette forte densité. Néanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observée dans les surfaces d'énergie potentielle conduit à la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait être très générale pour les ions moléculaires triatomiques présentant une forte anisotropie à courte distances et qui sont couramment utilisés dans les pièges hybrides.
Structure et dynamique des ions moléculaires froids : processus de formation et de destruction Ce travail concerne les mécanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moléculaires formes au cours de collisions inélastiques ultra-froides. Ces collisions sont étudiées expérimentalement dans des pièges hybrides mêlant un piège d'atomes ultra-froids et un piège d’ions refroidis par laser. Nous avons effectué une analyse théorique systématique des collisions binaires, assistées par la lumière, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est décrite par des calculs de chimie quantique basés sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs très précis. La formation d’ions moléculaires par 'association radiative est prédite efficace pour tous les systèmes étudiés, avec une section efficace deux à dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculées et comparées aux valeurs expérimentales disponibles. Des résonances de forme sont attendues avec une largeur très faible, et pourraient être observées avec la meilleure résolution expérimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi été calculées. Elles montrent que les ions moléculaires formés ne sont pas créés dans leur état vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montré que ces ions moléculaires pouvaient être photodissociés par les lasers utilisés dans l’expérience pour le refroidissement et le piégeage. Par ailleurs nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des ions formés. Dans les échelles de temps des différentes expériences, nous avons montré que celle-ci ne résulte pas d'une relaxation radiative associée au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutôt à des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi étudié cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des expériences en cours. Nous avons décrit le calcul du potentiel d'interaction nécessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la résolution deséquations couplées multi-voies. En particulier il a été montré, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'état à état (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent être donc simplifiés en traitant l'ion à un électron actif comme étant dans un état de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'étude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite à des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte à des difficultés supplémentaires: (i) l'échange des atomes identiques conduisant à des collisions réactives qui induisent des pertes dans le piège. (ii) la forte densité d'états internes due à la lourde masse du système. (iii) les interactions inter-voies encore présentes à très longues distances du fait cette forte densité. Néanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observée dans les surfaces d'énergie potentielle conduit à la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait être très générale pour les ions moléculaires triatomiques présentant une forte anisotropie à courte distances et qui sont couramment utilisés dans les pièges hybrides.
Cette thèse se concentre sur la description théorique de la dynamique quantique des collisions ion-atome dans le domaine des températures sub-Kelvin. Le développement de pièges hybrides pour les ions et les atomes neutres froids a stimulé l'étude de nombreux processus, notamment la formation d'ions moléculaires froids, le contrôle quantique de collisions froides, le transfert de charge. Dans ce travail, nous avons modélisé la dynamique non radiative, et la dynamique assistée par les photons qui sont présents dans l'expérience. Nous avons choisi des systèmes étudiés dans différents groupes expérimentaux. Tout d'abord, on a montré que la formation d'un ion moléculaire RbBa⁺ dans un piège hybride Rb/Ba⁺ est annulée par la destruction de cet ion par le laser de piégeage. J'ai inclus l'interaction spin-orbite dans le modèle de photodissociation, fournissant ainsi des résultats avec une meilleure précision. J'ai étendu ce modèle à la photodissociation des ions BaH⁺ créés lors de la collision réactive entre Ba⁺ froid et H₂. Ensuite, j'ai exploré divers processus impliqués dans un piège Rb/Ca⁺ : association radiative, photodissociation et rayonnement du corps noir. J'ai inclus de nouveaux calculs de l'interaction spin-orbite effectués dans le groupe. J'ai obtenu des taux de réaction en bon accord avec les résultats expérimentaux, et je suggère une interprétation directe de l'observation expérimentale de RbCa⁺ basée sur la robustesse de la distribution vibrationnelle par rapport au laser de piégeage. Enfin, j'ai mis en place un modèle rigoureux de diffusion quantique incluant les couplages spin-orbite calculés dans le groupe et les couplages rotationnels pour étudier la collision entre les atomes de Li à l'état fondamental et les ions Ba⁺ métastables. Les coefficients de taux calculés pour le changement de structure fine, l'échange de charge non radiatif dépendant de la parité et les collisions inélastiques non radiatives sont qualitativement et quantitativement cohérents avec les données expérimentales.
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.
Modélisation des pertes d'ions dans les pièges hybrides ions-atomes froids : photodissociation et processus non radiatifs Cette thèse se concentre sur la description théorique de la dynamique quantique des collisions ion-atome dans le domaine des températures sub-Kelvin. Le développement de pièges hybrides pour les ions et les atomes neutres froids a stimulé l'étude de nombreux processus, notamment la formation d'ions moléculaires froids, le contrôle quantique de collisions froides, le transfert de charge. Dans ce travail, nous avons modélisé la dynamique non radiative, et la dynamique assistée par les photons qui sont présents dans l'expérience. Nous avons choisi des systèmes étudiés dans différents groupes expérimentaux. Tout d'abord, on a montré que la formation d'un ion moléculaire RbBa⁺ dans un piège hybride Rb/Ba⁺ est annulée par la destruction de cet ion par le laser de piégeage. J'ai inclus l'interaction spin-orbite dans le modèle de photodissociation, fournissant ainsi des résultats avec une meilleure précision. J'ai étendu ce modèle à la photodissociation des ions BaH⁺ créés lors de la collision réactive entre Ba⁺ froid et H₂. Ensuite, j'ai exploré divers processus impliqués dans un piège Rb/Ca⁺ : association radiative, photodissociation et rayonnement du corps noir. J'ai inclus de nouveaux calculs de l'interaction spin-orbite effectués dans le groupe. J'ai obtenu des taux de réaction en bon accord avec les résultats expérimentaux, et je suggère une interprétation directe de l'observation expérimentale de RbCa⁺ basée sur la robustesse de la distribution vibrationnelle par rapport au laser de piégeage. Enfin, j'ai mis en place un modèle rigoureux de diffusion quantique incluant les couplages spin-orbite calculés dans le groupe et les couplages rotationnels pour étudier la collision entre les atomes de Li à l'état fondamental et les ions Ba⁺ métastables. Les coefficients de taux calculés pour le changement de structure fine, l'échange de charge non radiatif dépendant de la parité et les collisions inélastiques non radiatives sont qualitativement et quantitativement cohérents avec les données expérimentales.