Dans les condensats de Bose-Einstein spinoriels (CBES), plusieurs états de spincoexistent, donnant lieu à des dynamiques pilotées par des interactions dépendantes du spin (interactions de contact (IC) et dipôle-dipôle (IDD)). En lien étroit avec les travaux expérimentaux de notre groupe, ce manuscrit présente une analyse théorique du comportement dynamique des CBES. On s'intéresse à la situation où les CBES se trouvent dans l'état fondamental ferromagnétique à magnétisation maximale, et qui sont portés hors de l'état d'équilibre. En analysant les instabilités d'un condensat uniforme de spin ƒ dans le cadre de la théorie de Bogoliubov, on met en évidence l'existence d'instabilités dynamiques lorsque le champ magnétique appliqué est inférieur à un champ critique pdd qui est de l'ordre de ~ 0.1mG. On montre que pdd est fixé uniquement par l'IDD. L'instabilité se traduit par l'apparition de textures de spin et par la démagnétisation du condensat. Pourun condensat piégé, nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii montrent une démagnétisation pour un champ critique pdem ≲ pdd. Nous avons également étudié les dynamiques du condensat piégé en présence d'un fort champ magnétique ~ 200mG ≫ pdd, et d'un gradient ~ 10mG/cm. L'état initial est excité en effectuant unerotation globale des spins. Nos simulations numériques (Gross-Pitaevskii) montrent une persistance inattendue du caractère ferromagnétique initial. On montre que l'énergie cinétique communiquée par le gradient aux états de spin tend à altérer le caractère ferromagnétique, mais que cet effet est contrebalancé par l'IC qui impose un gap en énergie. Enfin, pour un condensat piégé, on met en évidence des modes collectifs de spin : les spins oscillent autour de leur orientation initiale avec une amplitude qui varie spatialement et une fréquence de l'ordre de ħ /Mσ²≪⍵ (σ est la taille du condensat et ⍵/2 π la fréquence du piège). La comparaison de nos calculs avec les expériences montre un excellent accord.
Dans les condensats de Bose-Einstein spinoriels (CBES), plusieurs états de spincoexistent, donnant lieu à des dynamiques pilotées par des interactions dépendantes du spin (interactions de contact (IC) et dipôle-dipôle (IDD)). En lien étroit avec les travaux expérimentaux de notre groupe, ce manuscrit présente une analyse théorique du comportement dynamique des CBES. On s'intéresse à la situation où les CBES se trouvent dans l'état fondamental ferromagnétique à magnétisation maximale, et qui sont portés hors de l'état d'équilibre. En analysant les instabilités d'un condensat uniforme de spin ƒ dans le cadre de la théorie de Bogoliubov, on met en évidence l'existence d'instabilités dynamiques lorsque le champ magnétique appliqué est inférieur à un champ critique pdd qui est de l'ordre de ~ 0.1mG. On montre que pdd est fixé uniquement par l'IDD. L'instabilité se traduit par l'apparition de textures de spin et par la démagnétisation du condensat. Pourun condensat piégé, nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii montrent une démagnétisation pour un champ critique pdem ≲ pdd. Nous avons également étudié les dynamiques du condensat piégé en présence d'un fort champ magnétique ~ 200mG ≫ pdd, et d'un gradient ~ 10mG/cm. L'état initial est excité en effectuant unerotation globale des spins. Nos simulations numériques (Gross-Pitaevskii) montrent une persistance inattendue du caractère ferromagnétique initial. On montre que l'énergie cinétique communiquée par le gradient aux états de spin tend à altérer le caractère ferromagnétique, mais que cet effet est contrebalancé par l'IC qui impose un gap en énergie. Enfin, pour un condensat piégé, on met en évidence des modes collectifs de spin : les spins oscillent autour de leur orientation initiale avec une amplitude qui varie spatialement et une fréquence de l'ordre de ħ /Mσ²≪⍵ (σ est la taille du condensat et ⍵/2 π la fréquence du piège). La comparaison de nos calculs avec les expériences montre un excellent accord.
Dans les condensats de Bose-Einstein spinoriels (CBES), plusieurs états de spincoexistent, donnant lieu à des dynamiques pilotées par des interactions dépendantes du spin (interactions de contact (IC) et dipôle-dipôle (IDD)). En lien étroit avec les travaux expérimentaux de notre groupe, ce manuscrit présente une analyse théorique du comportement dynamique des CBES. On s'intéresse à la situation où les CBES se trouvent dans l'état fondamental ferromagnétique à magnétisation maximale, et qui sont portés hors de l'état d'équilibre. En analysant les instabilités d'un condensat uniforme de spin ƒ dans le cadre de la théorie de Bogoliubov, on met en évidence l'existence d'instabilités dynamiques lorsque le champ magnétique appliqué est inférieur à un champ critique pdd qui est de l'ordre de ~ 0.1mG. On montre que pdd est fixé uniquement par l'IDD. L'instabilité se traduit par l'apparition de textures de spin et par la démagnétisation du condensat. Pourun condensat piégé, nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii montrent une démagnétisation pour un champ critique pdem ≲ pdd. Nous avons également étudié les dynamiques du condensat piégé en présence d'un fort champ magnétique ~ 200mG ≫ pdd, et d'un gradient ~ 10mG/cm. L'état initial est excité en effectuant unerotation globale des spins. Nos simulations numériques (Gross-Pitaevskii) montrent une persistance inattendue du caractère ferromagnétique initial. On montre que l'énergie cinétique communiquée par le gradient aux états de spin tend à altérer le caractère ferromagnétique, mais que cet effet est contrebalancé par l'IC qui impose un gap en énergie. Enfin, pour un condensat piégé, on met en évidence des modes collectifs de spin : les spins oscillent autour de leur orientation initiale avec une amplitude qui varie spatialement et une fréquence de l'ordre de ħ /Mσ²≪⍵ (σ est la taille du condensat et ⍵/2 π la fréquence du piège). La comparaison de nos calculs avec les expériences montre un excellent accord.
Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.
Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.
Nos experiences ont ete consacrees a l’etude d’un condensat de chrome, element possedant un fort moment magnetique. Elles nous ont permis de mettre en evidence l’influence des interactions dipolaires sur les proprietes hydrodynamiques et magnetiques d’un condensat. Ces interactions sont, contrairement aux interactions de contact, anisotropes et a longue portee. Nous avons etudie un mode d’oscillations collectives, de type quadrupolaire, du condensat de chrome. Nous avons observe que la frequence de ce mode depend legerement de l’orientation des dipoles, fixee par le champ magnetique. De plus, nous avons utilise la diffusion de Bragg pour sonder le spectre des excitations de Bogoliubov du condensat. Nous avons caracterise l’effet des interactions dipolaires sur les energies d’excitation. Dans le regime phononique, nous en avons deduit une anisotropie de la vitesse du son, qui depend de la direction de propagation de l’onde sonore relativement a l’axe de polarisation des dipoles. Nous avons egalement etudie les collisions inelastiques dues a l’interaction dipole-dipole, appelees relaxations dipolaires. Nous avons observe, d’une part, que le taux de collision est directement lie aux correlations de paires dans le condensat, et d’autre part, que ce taux depend fortement de la dimensionnalite du systeme. A tres bas champ magnetique, nous avons mis en evidence une dynamique spinorielle, due aux interactions dipolaires, qui se traduit par une demagnetisation spontanee du condensat. Ces experiences ont ete facilitees par la mise au point d’une cavite optique passive “ultra-stable”, utilisee pour asservir nos nouveaux lasers.
Thermodynamique et Thermodynamique et magnétisme dans des condensats de Bose-Einstein de spin 1 avec interactions antiferromagnétiques Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière (π) de la phase relative des composantes Zeeman θ = φ₊₁ + φ₋₁ - 2φ₀. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie.
Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière (π) de la phase relative des composantes Zeeman θ = φ₊₁ + φ₋₁ - 2φ₀. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie.