Physique à N corps dans un réseau optique d'atomes ultrafroids excités par laser : du régime des interactions fortes à l'effet Zénon quantique dans un gaz quantique bosonique Dans ce manuscrit je décris les différentes études expérimentales portant sur la physique des gaz atomiques d'ytterbium dégénérés piégés dans un réseau optique et excités sur leur transition d'horloge. L'existence de cette transition étroite, propriété commune aux atomes alcalino-terreux et aux éléments ayant une structure électronique similaire, comme l'ytterbium, confère à ces atomes un degré de liberté interne sans voir apparaitre des phénomènes d'émission spontanée, ouvrant des perspectives prometteuses dans les domaines de la simulation quantique et de la métrologie. Dans le travail présenté ici, je commence par tirer avantage des propriétés de la transition horloge pour caractériser l'évolution de la cohérence de l'état interne d'atomes d'ytterbium excités sur cette transition. Ensuite, j'utilise la spectroscopie Ramsey pour étudier la dynamique de réseaux unidimensionels dans le régime des fortes interactions. Dans un second temps je présente les expériences conduites sur des paires de bosons, où le couplage sur la transition étroite est branchée adiabatiquement, conduisant à une forte suppression des pertes liées aux collisions inélastiques. Ce phénomène relève de l'effet Zénon quantique qui restreint la dynamique du système à un sous-espace de l'espace de Hilbert. Enfin je présente l'étude expérimentale de l'effet Zénon quantique dans un système à N corps soumis à de fortes interactions inélastiques, qui se manifeste par une inhibition de la dynamique de pertes atomiques.
Physique à N corps dans un réseau optique d'atomes ultrafroids excités par laser : du régime des interactions fortes à l'effet Zénon quantique dans un gaz quantique bosonique Dans ce manuscrit je décris les différentes études expérimentales portant sur la physique des gaz atomiques d'ytterbium dégénérés piégés dans un réseau optique et excités sur leur transition d'horloge. L'existence de cette transition étroite, propriété commune aux atomes alcalino-terreux et aux éléments ayant une structure électronique similaire, comme l'ytterbium, confère à ces atomes un degré de liberté interne sans voir apparaitre des phénomènes d'émission spontanée, ouvrant des perspectives prometteuses dans les domaines de la simulation quantique et de la métrologie. Dans le travail présenté ici, je commence par tirer avantage des propriétés de la transition horloge pour caractériser l'évolution de la cohérence de l'état interne d'atomes d'ytterbium excités sur cette transition. Ensuite, j'utilise la spectroscopie Ramsey pour étudier la dynamique de réseaux unidimensionels dans le régime des fortes interactions. Dans un second temps je présente les expériences conduites sur des paires de bosons, où le couplage sur la transition étroite est branchée adiabatiquement, conduisant à une forte suppression des pertes liées aux collisions inélastiques. Ce phénomène relève de l'effet Zénon quantique qui restreint la dynamique du système à un sous-espace de l'espace de Hilbert. Enfin je présente l'étude expérimentale de l'effet Zénon quantique dans un système à N corps soumis à de fortes interactions inélastiques, qui se manifeste par une inhibition de la dynamique de pertes atomiques.
Dans ce manuscrit je décris les différentes études expérimentales portant sur la physique des gaz atomiques d'ytterbium dégénérés piégés dans un réseau optique et excités sur leur transition d'horloge. L'existence de cette transition étroite, propriété commune aux atomes alcalino-terreux et aux éléments ayant une structure électronique similaire, comme l'ytterbium, confère à ces atomes un degré de liberté interne sans voir apparaitre des phénomènes d'émission spontanée, ouvrant des perspectives prometteuses dans les domaines de la simulation quantique et de la métrologie. Dans le travail présenté ici, je commence par tirer avantage des propriétés de la transition horloge pour caractériser l'évolution de la cohérence de l'état interne d'atomes d'ytterbium excités sur cette transition. Ensuite, j'utilise la spectroscopie Ramsey pour étudier la dynamique de réseaux unidimensionels dans le régime des fortes interactions. Dans un second temps je présente les expériences conduites sur des paires de bosons, où le couplage sur la transition étroite est branchée adiabatiquement, conduisant à une forte suppression des pertes liées aux collisions inélastiques. Ce phénomène relève de l'effet Zénon quantique qui restreint la dynamique du système à un sous-espace de l'espace de Hilbert. Enfin je présente l'étude expérimentale de l'effet Zénon quantique dans un système à N corps soumis à de fortes interactions inélastiques, qui se manifeste par une inhibition de la dynamique de pertes atomiques.
Interaction résonante entre un champ laser et un gaz d'atomes d'ytterbium ultrafroids sur réseau optique : du contrôle cohérent au régime dissipatif Dans ce manuscrit je décris une série d'études expérimentales portant sur la dynamique d'un nuage d'atomes d'ytterbium bosonique dégénérés chargés dans un réseau optique et soumis à de la lumière résonante. L'interaction atome-lumière permet d'étudier les propriétés de cohérence quantique du gaz. Dans un premier temps, je démontre la manipulation cohérente de l'état interne des atomes sur la transition d'horloge, dont l'état excité est métastable et ne peux pas émettre de photons spontanément, protégeant ainsi la cohérence du gaz. La dynamique temporelle de l'état interne d'atomes chargés dans un réseau optique profond permet de mesurer les propriétés collisionelles à basse température pour les états horloges de l'ytterbium. Dans un second temps, j'utilise l'émission spontanée associée à la transition d'intercombinaison, ce qui permet un couplage aux degrés de liberté externes des atomes. Je présente l'étude de la diffusion en impulsion d'un superfluide excité sur cette transition. Les fortes interactions entre atomes conduisent à l'observation d'une décohérence ralentie aux temps longs et caractérisée par un régime sous-diffusif. Un modèle simple de type Bose-Hubbard incluant la dissipation permet de rendre compte de ces observations. Une étude théorique des effets à N-corps dans l'interaction atome-lumière vient en compléter l'analyse.
Dans ce manuscrit je décris une série d'études expérimentales portant sur la dynamique d'un nuage d'atomes d'ytterbium bosonique dégénérés chargés dans un réseau optique et soumis à de la lumière résonante. L'interaction atome-lumière permet d'étudier les propriétés de cohérence quantique du gaz. Dans un premier temps, je démontre la manipulation cohérente de l'état interne des atomes sur la transition d'horloge, dont l'état excité est métastable et ne peux pas émettre de photons spontanément, protégeant ainsi la cohérence du gaz. La dynamique temporelle de l'état interne d'atomes chargés dans un réseau optique profond permet de mesurer les propriétés collisionelles à basse température pour les états horloges de l'ytterbium. Dans un second temps, j'utilise l'émission spontanée associée à la transition d'intercombinaison, ce qui permet un couplage aux degrés de liberté externes des atomes. Je présente l'étude de la diffusion en impulsion d'un superfluide excité sur cette transition. Les fortes interactions entre atomes conduisent à l'observation d'une décohérence ralentie aux temps longs et caractérisée par un régime sous-diffusif. Un modèle simple de type Bose-Hubbard incluant la dissipation permet de rendre compte de ces observations. Une étude théorique des effets à N-corps dans l'interaction atome-lumière vient en compléter l'analyse.
Cohérence et relaxation d'un gaz quantique de bosons excité optiquement : expériences avec des gaz d'ytterbium ultrafroids Dans ce travail de thèse, je présente une série d'études expérimentales réalisées avec des gaz d'ytterbium ultrafroids excités sur différentes transitions optiques. L'ytterbium appartient à la famille des atomes dits alcalino-terreux. Ces atomes possèdent une structure électronique riche, avec une transition d’horloge exempte d’émission spontanée et une transition étroite d'intercombinaison. Avec des expériences de spectroscopie sur la transition d'horloge dans des réseaux optiques profonds, je montre notre capacité à exciter cette transition de manière cohérente pendant de longues périodes. Ce contrôle est ensuite utilisé dans un premier temps en tant qu'outil pour mesurer les longueurs de diffusion des états impliqués dans la transition d'horloge et ensuite, pour préparer un petit système quantique ouvert, où la dissipation prend la forme de pertes à deux corps. En branchant ce couplage adiabatiquement, on observe une forte suppression de ces pertes, ce qui est interprété comme une signature de l'effet Zénon quantique. J'utilise finalement ce transfert cohérent pour étudier la dynamique de relaxation d'un condensat de Bose-Einstein. Enfin, je développe une étude sur un système ouvert avec des interactions fortes. Ici, on induit artificiellement de la dissipation sous la forme d'émission spontanée en utilisant la transition d'intercombinaison, et j'étudie comment la cohérence spatiale d'un superfluide dans un réseau optique est détruite. Ces expériences révèlent que la présence d'interactions fortes protège partiellement une cohérence résiduelle et entraîne un développement non-triviale de la décohérence, révélant ainsi l'émergence d'un canal de relaxation subdiffusif.
Ce manuscrit présente des activités dans le domaine des atomes froids, portant sur la réalisation de systèmes quantiques composés de spins ou de dipôles en interaction. Des phénomènes du ressort de la simulation quantique du magnétisme seront étudiés, ainsi que le développement de nouvelles technologies quantiques applicables à la métrologie de fréquence.Nous présenterons tout d'abord des expériences de gaz de Rydberg, en interaction via la polarisabilité extrême de ces états. Nous discuterons spécifiquement le régime d'excitation en transparence électromagnétiquement induite. Nous en démontrerons l'intérêt pour l'optique quantique, puis nous l'appliquerons à une expérience de transport excitonique. Nous conclurons par l'analyse d'une d'ionisation en avalanche, propice à la création d'un plasma ultrafroid dans le régime de couplage fort.Dans un second temps, nous présenterons une expérience de simulation quantique du magnétisme de Heisenberg, avec un gaz dégénéré de fermions en réseau optique. La particularité de ce projet est le spin élevé des particules, et une symétrie particulière des propriétés d'interaction. Nous démontrerons l'intérêt des raies étroites de l'atome, le strontium, pour contrôler le degré de liberté de spin de ce système.Dans un dernier temps, nous introduirons une nouvelle activité expérimentale: un laser superradiant, horloge atomique "active" où le rayonnement est généré par un jet d'atomes froids émettant collectivement lors de leur traversée d'une cavité optique. Les paramètres clefs pour la conception de ce dispositif seront présentés, et un développement théorique permettant d'appréhender les principales propriétés du système sera introduit.
Dans ce travail de thèse, je présente une série d'études expérimentales réalisées avec des gaz d'ytterbium ultrafroids excités sur différentes transitions optiques. L'ytterbium appartient à la famille des atomes dits alcalino-terreux. Ces atomes possèdent une structure électronique riche, avec une transition d’horloge exempte d’émission spontanée et une transition étroite d'intercombinaison. Avec des expériences de spectroscopie sur la transition d'horloge dans des réseaux optiques profonds, je montre notre capacité à exciter cette transition de manière cohérente pendant de longues périodes. Ce contrôle est ensuite utilisé dans un premier temps en tant qu'outil pour mesurer les longueurs de diffusion des états impliqués dans la transition d'horloge et ensuite, pour préparer un petit système quantique ouvert, où la dissipation prend la forme de pertes à deux corps. En branchant ce couplage adiabatiquement, on observe une forte suppression de ces pertes, ce qui est interprété comme une signature de l'effet Zénon quantique. J'utilise finalement ce transfert cohérent pour étudier la dynamique de relaxation d'un condensat de Bose-Einstein. Enfin, je développe une étude sur un système ouvert avec des interactions fortes. Ici, on induit artificiellement de la dissipation sous la forme d'émission spontanée en utilisant la transition d'intercombinaison, et j'étudie comment la cohérence spatiale d'un superfluide dans un réseau optique est détruite. Ces expériences révèlent que la présence d'interactions fortes protège partiellement une cohérence résiduelle et entraîne un développement non-triviale de la décohérence, révélant ainsi l'émergence d'un canal de relaxation subdiffusif.