Une expérience de nouvelle génération pour l'étude de gaz de Fermi en interaction forte Cette thèse expose la construction d’une expérience de gaz quantiques de nouvelle génération, ayant pour objectif d’étudier les gaz de Fermi de ⁶Li en interaction forte. Une description détaillée du design et de la mise en œuvre, ainsi que la caractérisation du montage sont présentées. Nous avons réalisé un grand piège magnéto-optique de ⁶Li, suivi par une mélasse grise, afin de refroidir efficacement les atomes à des températures sub-Doppler, ce qui constitue un excellent point de départ pour le chargement dans un piège dipolaire optique. Un transport optique avec une haute efficacité conjointement à un refroidissement évaporatif à l’unitarité permet la production d’un gaz de Fermi ultrafroid de ⁶Li à la fin d'une séquence d’une durée totale de 16s. Combinée avec l’utilisation de l’imagerie à atome unique et de potentiels sur-mesure, cette nouvelle machine ouvre la voie à des expériences nouvelles sur les gaz de Fermi ultrafroids, comme par exemple la mesure des fonctions de corrélation dépendant du spin ou la recherche des phases exotiques de superfluides à déséquilibre de spin.
Une expérience de nouvelle génération pour l'étude de gaz de Fermi en interaction forte Cette thèse expose la construction d’une expérience de gaz quantiques de nouvelle génération, ayant pour objectif d’étudier les gaz de Fermi de ⁶Li en interaction forte. Une description détaillée du design et de la mise en œuvre, ainsi que la caractérisation du montage sont présentées. Nous avons réalisé un grand piège magnéto-optique de ⁶Li, suivi par une mélasse grise, afin de refroidir efficacement les atomes à des températures sub-Doppler, ce qui constitue un excellent point de départ pour le chargement dans un piège dipolaire optique. Un transport optique avec une haute efficacité conjointement à un refroidissement évaporatif à l’unitarité permet la production d’un gaz de Fermi ultrafroid de ⁶Li à la fin d'une séquence d’une durée totale de 16s. Combinée avec l’utilisation de l’imagerie à atome unique et de potentiels sur-mesure, cette nouvelle machine ouvre la voie à des expériences nouvelles sur les gaz de Fermi ultrafroids, comme par exemple la mesure des fonctions de corrélation dépendant du spin ou la recherche des phases exotiques de superfluides à déséquilibre de spin.
Cette thèse expose la construction d’une expérience de gaz quantiques de nouvelle génération, ayant pour objectif d’étudier les gaz de Fermi de ⁶Li en interaction forte. Une description détaillée du design et de la mise en œuvre, ainsi que la caractérisation du montage sont présentées. Nous avons réalisé un grand piège magnéto-optique de ⁶Li, suivi par une mélasse grise, afin de refroidir efficacement les atomes à des températures sub-Doppler, ce qui constitue un excellent point de départ pour le chargement dans un piège dipolaire optique. Un transport optique avec une haute efficacité conjointement à un refroidissement évaporatif à l’unitarité permet la production d’un gaz de Fermi ultrafroid de ⁶Li à la fin d'une séquence d’une durée totale de 16s. Combinée avec l’utilisation de l’imagerie à atome unique et de potentiels sur-mesure, cette nouvelle machine ouvre la voie à des expériences nouvelles sur les gaz de Fermi ultrafroids, comme par exemple la mesure des fonctions de corrélation dépendant du spin ou la recherche des phases exotiques de superfluides à déséquilibre de spin.
Vers une imagerie à atome unique du gaz de Fermi unitaire Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Expériences avec des Gaz de Fermi Ultrafroids : dégénérescence quantique de potassium-40 et sources lasers à l’état solide pour lithium Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de ⁶Li et de ⁴⁰K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D₁ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de 10⁻⁴ à la fois pour le ⁶Li et le ⁴⁰K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de ⁴⁰K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.5x10⁵ atomes de ⁴⁰K dans un piège dipolaire croisé avec T/T_{_F} = 0.17, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de ⁴⁰K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO₄, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN.
Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Depuis quelques temps, les physiciens theoriciens de la matiere condensee sont confrontes a un probleme majeur : la puissance de calcul necessaire pour simuler numeriquement et etudier certains systemes a N corps est insuffisante. Comme le controle et l’utilisation des systemes d’atomes ultra-froids se sont developpes de maniere importante,principalement durant les deux dernieres decennies, nous sommes peut-etre en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids pieges dans des reseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des electrons se deplacant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes pieges dans des reseaux optiques, sont toutes les deux decrites par le meme modele de Fermi-Hubbard, qui est une presentation simplifiee du comportement des fermions sur un reseau periodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des proprietes electriques des materiaux, telle sque la conductivite ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriete smagnetiques telles que l’ordre antiferromagnetique.L’experience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaille pendant mon doctorat, a pour but d’etudie rla physique des fermions fortement correles, avec un simulateur quantique base sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, pieges dans le potentiel nanostructure des reseaux optiques bidimensionnels, generes en champ proche. Pour detecter la distribution atomique a d’aussi courtes distances, nous avons developpe une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois termine, notre systeme d’imagerie pourrait potentiellement detecter et identifier des sites individuels du reseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je decris le travail que j’ai effectue pour construire l’experience AUFRONS,ainsi que l’etude de faisabilite que j’ai realisee pour la technique d’imagerie a super-resolution.