Couplage quadripolaire électrique entre l'électron du noyau ionique et l'électron circulaire de Rydberg d'un atome alcalino-terreux Les atomes de Rydberg alcalino-terreux sont des outils très prometteurs pour les technologies quantique. Ils profitent des propriétés remarquables des atomes de Rydberg et, notamment, un énorme couplage aux champs externes ou à d’autres atomes de Rydberg tandis que le noyau ionique conserve un électron optiquement actif. Cependant, les états de Rydberg de faible moment angulaire subissent une auto-ionisation presque immédiate lorsque le noyau est excité. Classiquement, les deux électrons « entrent en collision » et un est expulsé. Cependant, ce n’est pas le cas pour les états circulaires. Ici, nous démontrons que les atomes de Strontium où un électron est dans un état de Rydberg circulaire, avec un noyau excité dans un niveau métastable 4d sont stables pendant plus de quelques millisecondes. Nous vérifions cette propriété pour un noyau ionique soit dans un état 4d, j = 3/2, soit dans un état 4d, j = 5/2. Aussi, nous mesurons la différence d’énergie entre les états 4d métastables de l’électron du noyau ionique, résultant du couplage électrostatique entre les deux électrons de valence, avec l’un préparé dans un état Rydberg. Nous montrons que cette différence d’énergie est fonction des nombres quantiques principaux et magnétiques de l’électron de Rydberg. Nous montrons que le couplage électrostatique entre les deux électrons de valence amène à contrôler l’état de l’un par l’état de l’autre. Cela ouvre la voie à la détection non destructive de l’état de l’atome de Rydberg. L’utilisation de la fluorescence émise par l’électron du coeur permet d’envisager la détection optique selective des états circulaires avec une sensibilité remarquable. Les résultats présentés dans ce travail sont importants dans le cadre de la réalisation d’un simulateur quantique Rydberg, exploitant les états circulaires du Strontium pour construire les qubits.
Couplage quadripolaire électrique entre l'électron du noyau ionique et l'électron circulaire de Rydberg d'un atome alcalino-terreux Les atomes de Rydberg alcalino-terreux sont des outils très prometteurs pour les technologies quantique. Ils profitent des propriétés remarquables des atomes de Rydberg et, notamment, un énorme couplage aux champs externes ou à d’autres atomes de Rydberg tandis que le noyau ionique conserve un électron optiquement actif. Cependant, les états de Rydberg de faible moment angulaire subissent une auto-ionisation presque immédiate lorsque le noyau est excité. Classiquement, les deux électrons « entrent en collision » et un est expulsé. Cependant, ce n’est pas le cas pour les états circulaires. Ici, nous démontrons que les atomes de Strontium où un électron est dans un état de Rydberg circulaire, avec un noyau excité dans un niveau métastable 4d sont stables pendant plus de quelques millisecondes. Nous vérifions cette propriété pour un noyau ionique soit dans un état 4d, j = 3/2, soit dans un état 4d, j = 5/2. Aussi, nous mesurons la différence d’énergie entre les états 4d métastables de l’électron du noyau ionique, résultant du couplage électrostatique entre les deux électrons de valence, avec l’un préparé dans un état Rydberg. Nous montrons que cette différence d’énergie est fonction des nombres quantiques principaux et magnétiques de l’électron de Rydberg. Nous montrons que le couplage électrostatique entre les deux électrons de valence amène à contrôler l’état de l’un par l’état de l’autre. Cela ouvre la voie à la détection non destructive de l’état de l’atome de Rydberg. L’utilisation de la fluorescence émise par l’électron du coeur permet d’envisager la détection optique selective des états circulaires avec une sensibilité remarquable. Les résultats présentés dans ce travail sont importants dans le cadre de la réalisation d’un simulateur quantique Rydberg, exploitant les états circulaires du Strontium pour construire les qubits.
Les atomes de Rydberg sont des états très excités, dans lesquels un électron est placé sur une orbite éloignée du noyau. Leur grand dipôle électrique les rend très sensibles à leur environnement électromagnétique. En utilisant des champs microondes et radiofréquences, nous préparons des états quantiques non-classiques spécialement conçus pour exploiter au mieux cette sensibilité et mesurer des champs électriques et magnétiques avec une grande précision. Dans la première partie, nous préparons des états chats de Schrödinger, superpositions d'orbitales de polarisabilités très différentes, qui nous permettent de mesurer de petites variations du champ électrique statique avec une sensibilité bien supérieure à la limite quantique standard et proche de la limite Heisenberg fondamentale. Nous atteignons une sensibilité par atome de 30mV/m pour un temps d'interrogation de 200ns, faisant de notre système l'un des électromètres les plus sensibles à ce jour. Nous implémentons ensuite des manipulations plus complexes de l'atome. Grâce à une technique d'écho de spin qui exploite la richesse de la multiplicité Rydberg, nous mesurons les corrélations temporelles du champ électrique avec une bande passante de l'ordre du MHz. Dans la partie finale, nous préparons une superposition quantique de deux états circulaires de nombres quantiques magnétiques opposés. Cet état très non-classique correspond à un électron tournant à la fois dans des directions opposées sur la même orbite. La grande différence de moment magnétique entre les deux composantes de la superposition, de l'ordre de 100muB, ouvre la voie à la mesure de petites variations du champ magnétique avec une grande bande passante.
Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible.
Les réseaux d'atomes de Rydberg sont l'une des plateformes les plus avancées pour la simulation quantique, permettant d'émuler la dynamique de plus d'une centaine de spins 1/2. Aujourd'hui, la taille de ces simulateurs est principalement limitée par le temps de vie des atomes de Rydberg de faible moment angulaire utilisés. Notre équipe propose de développer un simulateur quantique utilisant des chaînes d’atomes de Rydberg circulaires. Pourvus d'un long temps de vie, les états de Rydberg circulaires doivent permettre de simuler des dynamiques sur des temps très longs. Malheureusement, les atomes de Rydberg circulaires alcalins sont transparents à la lumière laser, ce qui rend difficile leur manipulation avec des champs optiques. Dans notre expérience, nous préparons des états de Rydberg circulaires du strontium, élément alcalino-terreux qui possède deux électrons de valence. Nous avons tout d'abord montré qu'une fois le premier électron placé dans un état de Rydberg circulaire, le second demeure optiquement actif et peut être manipulé sans provoquer l'auto-ionisation de l'atome. Nous montrons dans un second temps que le couplage électrostatique quadrupolaire entre les deux électrons permet pour la première fois de manipuler de façon cohérente un état de Rydberg circulaire avec de la lumière laser. Nous utilisons enfin un laser contra-propageant pour ralentir les atomes lorsqu'ils sont dans l'état circulaire, ou dans une superposition d'états circulaires, et ce sans affecter la cohérence quantique de la superposition.
Les états de Rydberg circulaires possèdent des propriétés singulières dont l'étude théorique et expérimentale fait l'objet de ce mémoire. Dans une première partie, ces états sont décrits à la fois dans le cadre de la théorie semi classique et dans le point de vue habituel de la mécanique quantique. Il est fait largement appel dans cette partie aux symétries dynamiques de l'hydrogène, qui permettent de comprendre fondamentalement comment ces états peuvent être préparés et survivre en présence de champs extérieurs variés. Dans une seconde partie, sont décrites les expériences que nous avons réalisées sur les états circulaires du Lithium en vue d'une mesure très précise de la constante de Rydberg R. Il s'agit essentiellement de la démonstration d'une nouvelle méthode de préparation de ces états, dite "en champs croisés" et de la réalisation d'une spectroscopie micro-onde de transitions entre niveaux circulaires adjacents. Nous décrivons successivement des expériences où l'excitation est impulsionnelle puis continue, ce dernier mode de préparation présentant de multiples avantages pour la mesure de R. Dans la troisième partie, un calcul détaillé des fréquences de transition entre niveaux circulaires du lithium est présenté. Partant du modèle élémentaire de Bohr, l'effet des perturbations de plus en plus fines, tant internes qu'externes à l'atome est pris en compte et évalué avec une précison correspondant à onze chiffres significatifs. La hiérarchie des perturbations à prendre en compte est inhabituelle, puisque les effets externes des champs électriques ou magnétiques appliqués sont plus grands que les effets internes (magnétiques, relativistes, couplage de l'électron de valence au coeur atomique). Le résultat obtenu permet d'envisager la détermination très précise de R à partir du spectre micro-onde expérimental.
Sensibilité quantique avec des états chats de Rydberg Schrödinger Les atomes de Rydberg sont des états très excités, dans lesquels un électron est placé sur une orbite éloignée du noyau. Leur grand dipôle électrique les rend très sensibles à leur environnement électromagnétique. En utilisant des champs microondes et radiofréquences, nous préparons des états quantiques non-classiques spécialement conçus pour exploiter au mieux cette sensibilité et mesurer des champs électriques et magnétiques avec une grande précision. Dans la première partie, nous préparons des états chats de Schrödinger, superpositions d'orbitales de polarisabilités très différentes, qui nous permettent de mesurer de petites variations du champ électrique statique avec une sensibilité bien supérieure à la limite quantique standard et proche de la limite Heisenberg fondamentale. Nous atteignons une sensibilité par atome de 30mV/m pour un temps d'interrogation de 200ns, faisant de notre système l'un des électromètres les plus sensibles à ce jour. Nous implémentons ensuite des manipulations plus complexes de l'atome. Grâce à une technique d'écho de spin qui exploite la richesse de la multiplicité Rydberg, nous mesurons les corrélations temporelles du champ électrique avec une bande passante de l'ordre du MHz. Dans la partie finale, nous préparons une superposition quantique de deux états circulaires de nombres quantiques magnétiques opposés. Cet état très non-classique correspond à un électron tournant à la fois dans des directions opposées sur la même orbite. La grande différence de moment magnétique entre les deux composantes de la superposition, de l'ordre de 100muB, ouvre la voie à la mesure de petites variations du champ magnétique avec une grande bande passante.
Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible.