Super- et sous-radiance dans un nuage dilué d'atomes froids Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.
Super- et sous-radiance dans un nuage dilué d'atomes froids Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.
Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.
Le probleme de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu a de nombreux phenomenes interessants concernant l’emission spontanee de la lumiere et sa propagation dans l’echantillon. Les effets cooperatifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets lies a la coherence creee entre les atomes lorsqu'un photon est emis spontanement par un seul atome excite. La super-radiance peut etre definie comme le renforcement de l'emission spontanee due a une interference constructive de la lumiere diffusee. Son homologue, la sous-radiance, est le piegeage d'une partie de la lumiere restante en raison d'interferences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux theoriques anterieurs predisent et caracterisent ces deux effets cooperatifs dans un nuage atomique large et diluee, dans le regime des faibles intensites et a grands desaccords du laser incident. Le modele theorique est un modele de dipoles couples pour atomes a deux niveaux pilotes par un champ de faible intensite et dans l'approche scalaire. L'experience consiste a mesurer les taux de d’decroissance super- et sous-radiants a partir de l’intensite temporelle emise apres la coupure du laser incident en regime stationnaire. Notre schema experimental consiste en un piege magneto-optique d’atomes de rubidium 87 a grandes epaisseurs optiques a resonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensite emise est detectee par un detecteur de photons uniques depourvu d’afterpulsing et une procedure d’etalonnage nous permet de determiner l’epaisseur optique resonante du nuage et sa temperature. Dans ce travail, nous rapportons l’observation experimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le resultat principal est l’evolution lineaire du temps caracteristique avec l’epaisseur optique resonante du nuage et son independance du desaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous verifions la validite de nos interpretations avec les predictions du modele de dipoles couples. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piegeage de radiation, ainsi que des previsions theoriques concernant : la configuration d’un nuage phase, pour controler l’emission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de temperature, ou la sous-radiance s’avere robuste dans une large gamme de temperatures.
Emission spontanée collective par des ensembles denses d'atomes à deux niveaux On s’intéresse au problème de la diffusion de la lumière par un ensemble dense d’atomes froids dans le régime dit ”de Dicke”, dans lequel un grand nombre d’atomes est contenu dans un volume dont les dimensions sont plus petites que la longueur d’onde de la transition atomique. Quand la lumière a une fréquence proche de celle de l’une transition atomique, elle induit des dipôles. Dans un milieu dense, ces dipôles interagissent entre eux : chaque dipôle est excité par les champs rayonnés par les autres dipôles. Ces interactions résonantes entre les dipôles induits modifient la réponse collective de l’ensemble. En particulier, elles modifient le taux auquel l’ensemble se désexcite par émission spontanée. Une désexcitation plus rapide que celle d’un atome unique est appelée super-radiance et une désexcitation plus lente est appelée sous-radiance.Dans cette thèse, nous développons d’abord des méthodes expérimentales pour l’étude de ce problème, nous permettant de préparer, d’observer et de manipuler des nuages denses d’atomes à deux niveaux contenant plusieurs milliers d’atomes froids dans un régime proche du régime de Dicke. Nous étudions ensuite les propriétés d’émission collective de ces systèmes lorsqu’ils sont soumis à de la lumière laser résonante, pendant et après l’excitation. On observe les désexcitations super- et sous-radiantes pour la première fois dans ce régime, et on montre qu’elles sont gouvernées uniquement par le nombre d’atomes dans le nuage. Nous avons ensuite caractérisé les oscillations de Rabi collectives des ensembles d’atomes pilotés par laser. Enfin, nous démontrons un protocole pour relâcher à la demande des excitations stockées dans des états sous-radiants, ce qui est un prérequis pour des applications de stockage de la lumière. Pour conclure, on fait une synthèse des résultats obtenus et on propose des perspectives pour des recherches futures.
Modes collectifs de longue durée de vie de la lumière dans des atomes froids : études expérimentales et numériques sur la sous-radiance et la localisation d'Anderson L'objectif de cette thèse est d'élargir notre compréhension des phénomènes collectifs de diffusion de la lumière qui se manifestent par la forte suppression du rayonnement du milieu diffusant. En particulier, nous nous intéressons à la sous-radiance, un effet collectif de l’émission spontanée, qui, du fait du couplage dissipatif des atomes via des modes électromagnétiques communs, crée des modes d'excitation longue durée de vie dans un ensemble d'atomes froids, avec des durées de vie beaucoup plus longues que celles d’atomes individuels. Auparavant, la sous-radiance avait été bien caractérisée pour des ensembles d’atomes froids dilués et dans la limite de faible intensité du laser d'excitation (régime de l'optique linéaire). Dans cette thèse, nous étudions ce phénomène collectif au-delà de l'optique linéaire et du régime dilué.Pour étudier expérimentalement la sous-radiance au-delà du régime de l'optique linéaire, nous avons fait varier le paramètre de saturation du laser d'excitation jusqu'à des valeurs relativement importantes et nous avons observé l'augmentation de la population sous-radiante avec l'augmentation du paramètre de saturation. Plus important encore, nous avons identifié une loi d’échelle super-linéaire de la population sous-radiante au-delà du régime de l’optique linéaire, en raison d’un processus similaire au pompage optique via des états super-radiants multi-excités. Cette étude a montré que l'augmentation de l'intensité du laser de pilotage au-delà du régime de l'optique linéaire permet de surmonter le faible couplage des modes sous-radiants avec l’environnement.De plus, nous avons étudié numériquement la sous-radiance en utilisant le modèle vectoriel des dipôles couplés, en mettant l'accent sur la compréhension de l'effet de l'interaction dipôle-dipôle en champ proche. Pour cela, nous avons comparé en détail les modèles vectoriel et scalaire (qui ne contient pas de termes d'interaction en champ proche) et étudié la durée de vie sous-radiante en fonction de la densité et de l'épaisseur optique du nuage d'atomes froids. Nous avons observé que les termes de champ proche sont préjudiciables à la sous-radiance, ce qui se manifeste par la réduction des durées de vie sous-radiantes avec l'augmentation de la densité. Ce caractère néfaste des termes de champ proche peut être interprété comme étant dû à un élargissement inhomogène effectif induit par l'interaction en champ proche, qui réduit les durées de vie sous-radiantes lorsque la densité augmente.Le caractère néfaste de l'interaction en champ proche a également été précédemment identifié numériquement pour la localisation d'Anderson des ondes lumineuses (la localisation d'Anderson est un phénomène ondulatoire en diffusion multiple cohérente dans un milieu fortement diffusant, qui entraîne l'arrêt du transport diffusif ; il donne également des modes à longue durée de vie) : le modèle scalaire des dipôles couplés prédit la localisation des ondes lumineuses, mais pas le modèle vectoriel. Cependant, l'ajout d'un champ magnétique suffisamment fort permet de récupérer les modes localisés pour la lumière vectorielle. Dans ce contexte, nous avons étudié numériquement une possible signature de la localisation d'Anderson de la lumière dans les atomes froids, basée sur la mesure des fluctuations d'intensité de la lumière diffusée. Nous avons montré qu'à la transition vers le régime localisé, les fluctuations sont augmentées. En particulier, pour la lumière vectorielle, nous avons démontré l'absence, et l’apparition, de fluctuations d'intensité accrues sans, et avec, le champ magnétique appliqué, ce qui corrobore que les fluctuations d'intensité pourraient servir de moyen expérimental pour sonder les états localisés.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.
Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.