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.
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.
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.
Microscopie de gaz quantique pour des fermions en espace continu Depuis leur émergence, les expériences d’atomes froids ont eu recours à des techniques d’imagerie globales, telles que l’imagerie par absorption, pour mesurer les densités des nuages atomiques. Cependant, ces dernières années, de nombreuses méthodes d’imagerie d’atomes individuels ont émergé comme des outils puissants utilisés pour sonder et manipuler les systèmes quantiques à N corps. Le présent travail se concentre en particulier sur la microscopie de gaz quantique utilisant le refroidissement Raman par bandes latérales dans un réseau optique. Cette technique, qui a été largement utilisée dans plusieurs groupes d’atomes froids, a principalement été appliquée à des systèmes évoluant en espace discret, comme ceux représentés à travers les modèles de Bose- et Fermi-Hubbard et leur généralisation. Dans cette thèse, nous montrons comment la microscopie de gaz quantique peut être étendue au-delà de son application initiale pour sonder de manière quantitative des systèmes à N corps dans l’espace continu. Nous proposons un protocole consistant en une montée rapide de l’intensité du réseau de confinement, ce qui projette les atomes du continu vers les sites discrets du réseau, suivie d’une étape de refroidissement Raman par bandes latérales qui confine les atomes autour de l’état vibrationnel fondamental et les empêche de s’échapper pendant l’imagerie. Pour tester l’efficacité de cette nouvelle méthode, nous caractérisons le processus de confinement et d’imagerie en utilisant la microscopie de gaz quantique pour reconstruire la fonction d’onde d’un paquet d’ondes gaussien associé à une particule individuelle durant son expansion libre. Dans des conditions optimales, nous atteignons une fidélité d’imagerie supérieure à 95%, définie comme la probabilité de projeter un atome du continu sur le site de réseau le plus proche et de l’imager correctement. Nous appliquons également cette technique à un gaz de Fermi quasi-bidimensionnel sans interactions, ce qui nous permet d’extraire des fonctions de corrélation à deux et trois corps, g2 et g3, avec une résolution spatiale sans précédent et de trouver un excellent accord avec la valeur théorique. En particulier, nos mesures révèlent une réduction de 90% de la probabilité de trouver deux atomes à courte distance pour les échantillons les plus froids, ce qui constitue l’une des observations in situ les plus précises du principe d’exclusion de Pauli dans un système continu. Enfin, nous proposons une méthode de thermométrie fondée sur les fluctuations du nombre d’atomes, qui sont facilement obtenues à partir de notre procédure d’imagerie. De manière cruciale, cette technique de thermométrie devrait pouvoir être généralisée à des systèmes fortement interactifs, où l’estimation de la température est généralement difficile. La technique de microscopie de gaz quantique développée ici ouvre de nouvelles voies pour étudier des systèmes à N corps dans l’espace continu avec une résolution sans précédent, offrant un outil puissant pour de futures expériences.
Progrès vers l'imagerie par microscopie de fluorescence d'un gaz quantique de strontium Dans cette thèse, nous discutons des progrès réalisés dans le développement d'un microscope à gaz quantique pour l'étude de la dynamique hors équilibre dans des systèmes quantiques isolés après un quench. La perspective de ce travail est d'étudier la dynamique de relaxation des atomes de strontium dans un réseau optique 2D, décrit par le modèle de Bose-Hubbard.Nous présentons le dispositif expérimental développé pour le refroidissement et le piégeage du strontium par laser. En particulier, nous décrivons la simulation et la mise en œuvre d'un nouveau dispositif de collimation du faisceau atomique. Les différentes étapes du refroidissement laser jusqu'au microkelvin sont présentées. Enfin, nous décrivons les implémentations du piège dipôle optique utilisé pour transporter le nuage atomique entre nos deux chambres à vide et piéger les atomes dans un réseau optique 2D.Nous présentons également en détail le travail effectué pour préparer l'étape d'imagerie de fluorescence de l'expérience. Nous décrivons un nouvel algorithme pour analyser les futures images du microscope et le comparons aux méthodes standards. Avec cet algorithme, nous explorons les limites de résolution et de rapport signal à bruit nécessaires pour reconstruire la distribution des atomes avec des sensibilités au site unique et à l'atome unique. Nous avons également effectué des calculs de lightshifts pour le strontium à 1064nm pour l'état fondamental et excité (3P1) afin d'évaluer les paramètres du piège pendant l'imagerie. Enfin, nous calculons la dynamique d'un atome piégé dans le réseau optique. Nous calculons le nombre de photons diffusés et la durée de vie de l'atome dans le piège et discutons des mécanismes de refroidissement mis en jeu.
Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.