Spectroscopie de bruit de spin dans l'hélium métatable Cette thèse porte principalement sur la spectroscopie de bruit de spin de l'hélium métastable.Nous rapportons pour la première fois dans cette thèse la mesure du bruit de spin spontané d'un ensemble d'atomes d'hélium métastable en utilisant la spectroscopie de bruit de spin non invasive.Nous utilisons un laser hors résonance pour étudier les fluctuations aléatoires des sous-niveaux Zeeman du niveau métastable de l'hélium sous un champ magnétique relativement faible d'environ 1 Gauss. De plus, nous examinons les changements dans le spectre lorsque la sonde s'approche de la résonance.Nous étudions les deux principaux types de bruit de polarisation de la sonde, à savoir le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. Pour reproduire qualitativement et quantitativement le signal de bruit de spin expérimental, nous construisons un modèle de simulation qui fonctionne bien même près de la résonance.Après l'étude de la transition la plus simple de l'hélium métastable, nous étudions la spectroscopie de bruit de spin aux transitions de l'hélium métastable avec des structures plus compliquées.Nos résultats de simulation sont cohérents avec les résultats expérimentaux, qui sont distincts de ceux obtenus en utilisant la structure de niveau la plus simple. Pour expliquer les caractéristiques du SNS près des différentes transitions, nous avons développé un modèle théorique complet basé sur le modèle d'états de superposition.Nous avons ensuite étudié la corrélation entre le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. En utilisant les huit modes de bruit du spin-1, nous sommes capables d'expliquer les corrélations dans différentes conditions. De plus, nous avons étudié l'effet du bruit du champ magnétique sur le modèle SNS. On a constaté que le bruit du champ magnétique altérait le spectre de bruit, et la théorie des huit modes de bruit est capable d'expliquer correctement ce phénomène.Ce travail de thèse sert principalement de preuve de principe. La structure de niveaux simple de l'hélium métastable a fourni un modèle idéal pour étudier le phénomène de spectroscopie de bruit de spin dans les systèmes de spin-1. Ces résultats offrent une nouvelle perspective pour comprendre le SNS et la caractérisation des systèmes de spin-1, ce qui peut aider à poursuivre les recherches dans ce domaine.
Spectroscopie de bruit de spin dans l'hélium métatable Cette thèse porte principalement sur la spectroscopie de bruit de spin de l'hélium métastable.Nous rapportons pour la première fois dans cette thèse la mesure du bruit de spin spontané d'un ensemble d'atomes d'hélium métastable en utilisant la spectroscopie de bruit de spin non invasive.Nous utilisons un laser hors résonance pour étudier les fluctuations aléatoires des sous-niveaux Zeeman du niveau métastable de l'hélium sous un champ magnétique relativement faible d'environ 1 Gauss. De plus, nous examinons les changements dans le spectre lorsque la sonde s'approche de la résonance.Nous étudions les deux principaux types de bruit de polarisation de la sonde, à savoir le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. Pour reproduire qualitativement et quantitativement le signal de bruit de spin expérimental, nous construisons un modèle de simulation qui fonctionne bien même près de la résonance.Après l'étude de la transition la plus simple de l'hélium métastable, nous étudions la spectroscopie de bruit de spin aux transitions de l'hélium métastable avec des structures plus compliquées.Nos résultats de simulation sont cohérents avec les résultats expérimentaux, qui sont distincts de ceux obtenus en utilisant la structure de niveau la plus simple. Pour expliquer les caractéristiques du SNS près des différentes transitions, nous avons développé un modèle théorique complet basé sur le modèle d'états de superposition.Nous avons ensuite étudié la corrélation entre le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. En utilisant les huit modes de bruit du spin-1, nous sommes capables d'expliquer les corrélations dans différentes conditions. De plus, nous avons étudié l'effet du bruit du champ magnétique sur le modèle SNS. On a constaté que le bruit du champ magnétique altérait le spectre de bruit, et la théorie des huit modes de bruit est capable d'expliquer correctement ce phénomène.Ce travail de thèse sert principalement de preuve de principe. La structure de niveaux simple de l'hélium métastable a fourni un modèle idéal pour étudier le phénomène de spectroscopie de bruit de spin dans les systèmes de spin-1. Ces résultats offrent une nouvelle perspective pour comprendre le SNS et la caractérisation des systèmes de spin-1, ce qui peut aider à poursuivre les recherches dans ce domaine.
Cette thèse porte principalement sur la spectroscopie de bruit de spin de l'hélium métastable.Nous rapportons pour la première fois dans cette thèse la mesure du bruit de spin spontané d'un ensemble d'atomes d'hélium métastable en utilisant la spectroscopie de bruit de spin non invasive.Nous utilisons un laser hors résonance pour étudier les fluctuations aléatoires des sous-niveaux Zeeman du niveau métastable de l'hélium sous un champ magnétique relativement faible d'environ 1 Gauss. De plus, nous examinons les changements dans le spectre lorsque la sonde s'approche de la résonance.Nous étudions les deux principaux types de bruit de polarisation de la sonde, à savoir le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. Pour reproduire qualitativement et quantitativement le signal de bruit de spin expérimental, nous construisons un modèle de simulation qui fonctionne bien même près de la résonance.Après l'étude de la transition la plus simple de l'hélium métastable, nous étudions la spectroscopie de bruit de spin aux transitions de l'hélium métastable avec des structures plus compliquées.Nos résultats de simulation sont cohérents avec les résultats expérimentaux, qui sont distincts de ceux obtenus en utilisant la structure de niveau la plus simple. Pour expliquer les caractéristiques du SNS près des différentes transitions, nous avons développé un modèle théorique complet basé sur le modèle d'états de superposition.Nous avons ensuite étudié la corrélation entre le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. En utilisant les huit modes de bruit du spin-1, nous sommes capables d'expliquer les corrélations dans différentes conditions. De plus, nous avons étudié l'effet du bruit du champ magnétique sur le modèle SNS. On a constaté que le bruit du champ magnétique altérait le spectre de bruit, et la théorie des huit modes de bruit est capable d'expliquer correctement ce phénomène.Ce travail de thèse sert principalement de preuve de principe. La structure de niveaux simple de l'hélium métastable a fourni un modèle idéal pour étudier le phénomène de spectroscopie de bruit de spin dans les systèmes de spin-1. Ces résultats offrent une nouvelle perspective pour comprendre le SNS et la caractérisation des systèmes de spin-1, ce qui peut aider à poursuivre les recherches dans ce domaine.
Sonder des interactions avec la spectroscopie de bruit de Spin Dans les systèmes magnétiques, la spectroscopie du bruit fondamental dû aux fluctuations aléatoires du spin, appelée spectroscopie du bruit de spin (SNS), est réalisée optiquement en mesurant les fluctuations de la rotation de Faraday subie par un faisceau sonde polarisé linéairement se propageant à travers l'échantillon. Cette méthode a été appliquée avec succès depuis le début du siècle pour sonder la structure énergétique et les canaux de relaxation dans divers milieux, tels que les vapeurs atomiques à température ambiante, les semi-conducteurs ou les puits quantiques.Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer la SNS afin d'étudier les interactions entre le système et son environnement ou bien au sein du système. Cette étude est menée dans des cellules contenant deux vapeurs atomiques différentes: une vapeur d'hélium métastable et une vapeur de rubidium en abondance naturelle, et est appuyée par des simulations numériques basées sur l'évolution de la matrice densité du système.Dans un premier temps, je montre que l'action de champs externes sur la cellule d'hélium métastable place le système hors d'équilibre, et que les perturbations engendrée sur la dynamique des spins permettent de quantifier l'interaction entre les atomes et ces champs. En particulier, un faisceau sonde intense sépare la résonance de spin usuelle en deux, et la mesure de ce splitting permet une estimation précise du décalage en énergie des niveaux Zeeman dans l'état métastable. Ensuite, je montre théoriquement que l'action d'un champ magnétique fluctuant dans le temps est d'exciter du bruit de spin de manière résonante, s'il est suffisant large bande. La mesure de ce bruit hors équilibre se distingue néanmoins de celle du bruit thermique par sa dépendance en la polarisation du faisceau sonde, ainsi que par sa statistique non-gaussienne.Enfin, je montre l'apparition d'un régime de bruit de spin collectif dans la cellule de rubidium à suffisamment haute densité. Ce régime se traduit par un élargissement drastique des résonances de spins, inexplicable par les processus connus de la littérature, ainsi que par l'apparition d'une composante supplémentaire de bruit large bande, jamais observée jusqu'ici. A l'aide de simulations numériques à deux corps, incluant les interactions optiques ainsi que le mouvement des atomes, je montre que ces effets atypiques sont dus au couplage dipole-dipole résonant entre atomes induit par le champ sonde. Dans ce régime d'interactions fortes, les fluctuations de spins ne peuvent plus être décrites de manière satisfaisante par une approche de champ moyen, ouvrant la voie vers la mesure de bruit de spins à plusieurs corps dans des systèmes plus fortement corrélés.
Dans les systèmes magnétiques, la spectroscopie du bruit fondamental dû aux fluctuations aléatoires du spin, appelée spectroscopie du bruit de spin (SNS), est réalisée optiquement en mesurant les fluctuations de la rotation de Faraday subie par un faisceau sonde polarisé linéairement se propageant à travers l'échantillon. Cette méthode a été appliquée avec succès depuis le début du siècle pour sonder la structure énergétique et les canaux de relaxation dans divers milieux, tels que les vapeurs atomiques à température ambiante, les semi-conducteurs ou les puits quantiques.Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer la SNS afin d'étudier les interactions entre le système et son environnement ou bien au sein du système. Cette étude est menée dans des cellules contenant deux vapeurs atomiques différentes: une vapeur d'hélium métastable et une vapeur de rubidium en abondance naturelle, et est appuyée par des simulations numériques basées sur l'évolution de la matrice densité du système.Dans un premier temps, je montre que l'action de champs externes sur la cellule d'hélium métastable place le système hors d'équilibre, et que les perturbations engendrée sur la dynamique des spins permettent de quantifier l'interaction entre les atomes et ces champs. En particulier, un faisceau sonde intense sépare la résonance de spin usuelle en deux, et la mesure de ce splitting permet une estimation précise du décalage en énergie des niveaux Zeeman dans l'état métastable. Ensuite, je montre théoriquement que l'action d'un champ magnétique fluctuant dans le temps est d'exciter du bruit de spin de manière résonante, s'il est suffisant large bande. La mesure de ce bruit hors équilibre se distingue néanmoins de celle du bruit thermique par sa dépendance en la polarisation du faisceau sonde, ainsi que par sa statistique non-gaussienne.Enfin, je montre l'apparition d'un régime de bruit de spin collectif dans la cellule de rubidium à suffisamment haute densité. Ce régime se traduit par un élargissement drastique des résonances de spins, inexplicable par les processus connus de la littérature, ainsi que par l'apparition d'une composante supplémentaire de bruit large bande, jamais observée jusqu'ici. A l'aide de simulations numériques à deux corps, incluant les interactions optiques ainsi que le mouvement des atomes, je montre que ces effets atypiques sont dus au couplage dipole-dipole résonant entre atomes induit par le champ sonde. Dans ce régime d'interactions fortes, les fluctuations de spins ne peuvent plus être décrites de manière satisfaisante par une approche de champ moyen, ouvrant la voie vers la mesure de bruit de spins à plusieurs corps dans des systèmes plus fortement corrélés.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
Spectroscopie du bruit de spin de spins uniques par la détection de photons uniques Les émetteurs quantiques capables de fonctionner à haute-fidélité et à haut débit sont la pierre angulaire des technologies quantiques photoniques, qui exigent une précision croissante dans la manipulation de qubits uniques. Les émetteurs capables d'héberger un spin sont particulièrement intéressants pour les réseaux de communication quantique et l'informatique quantique, car ils exploitent la ressource clé que constitue l'intrication spin-photon. Dans ce contexte, les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices auto-assemblées sont devenues des candidats prometteurs pour les interfaces spin-photon en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles. Néanmoins, les temps de cohérence courts du spin limitent fortement le potentiel de cette plateforme. De meilleures stratégies pour atténuer les fluctuations de l'environnement et découpler le spin de celles-ci sont nécessaires pour améliorer ses performances. À cet égard, la spectroscopie du bruit de spin (SNS) est devenue une technique clé pour obtenir des informations sur l'environnement du spin dans les systèmes atomiques et à l'état solide via la mesure de signaux polarimétriques tels que la rotation de la polarisation de Faraday. Cependant, le faible signal d'un seul spin a limité la plupart des applications de la SNS aux ensembles de spins. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle technique SNS basée sur la mesure de spins uniques via la détection de photons uniques. Nous démontrons des mesures de bruit de spin dans le régime ultrarapide au-dessus du niveau des 10 GHz, dépassant les limites traditionnelles de bande passante avec une sensibilité sans précédent.Notre approche repose sur l'interaction spin-photon renforcée par la cavité, augmentant de plusieurs ordres de grandeur les signaux polarimétriques à partir d'un seul spin. Des rotations de polarisation, dépendantes du spin, des photons réfléchis par l'interface sont observées jusqu'à π, ce qui permet de cartographier les fluctuations de spin en fluctuations de polarisation et de détecter optiquement les mécanismes de bruit de spin. De manière cruciale, le signal SNS correspond aux photons uniques. Par conséquent, les corrélations peuvent être directement calculées entre les événements de détection de photons uniques, plutôt qu'extraites des mesures d'intensité moyenne, ce qui améliore considérablement la largeur de bande de détection. En fin de compte, la résolution temporelle n'est limitée que par la gigue temporelle des détecteurs de photons uniques.Dans ce manuscrit, nous présentons cette nouvelle approche SNS pour l'étude des mécanismes de bruit des spins d'électrons et de trous dans une BQ. Nous mesurons des signaux allant de quelques MHz à des dizaines de GHz corrélant des événements de détection de photons uniques. Parallèlement, nous développons les outils théoriques permettant d'identifier et de caractériser les principaux mécanismes de décohérence des spins dans ce système. Les fonctions de corrélation mesurées sont comparées à des simulations qui calculent la matrice de densité du système conditionnelle à la détection d'un photon. Les signaux SNS correspondent bien au modèle numérique, décrivant une dynamique de spin non triviale qui ne peut être reproduite par des ajustements phénoménologiques lorentziens des spectres de bruit de spin. En fin de compte, cette technique vise à sonder les mécanismes de bruit des systèmes de spin, non limités aux BQs, afin de développer des stratégies d'atténuation plus efficaces et des séquences de découplage qui améliorent leurs performances. Ce travail est également le point de départ d'études fondamentales portant sur la rétroaction quantique induite sur des spins uniques par la détection de photons.
Les émetteurs quantiques capables de fonctionner à haute-fidélité et à haut débit sont la pierre angulaire des technologies quantiques photoniques, qui exigent une précision croissante dans la manipulation de qubits uniques. Les émetteurs capables d'héberger un spin sont particulièrement intéressants pour les réseaux de communication quantique et l'informatique quantique, car ils exploitent la ressource clé que constitue l'intrication spin-photon. Dans ce contexte, les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices auto-assemblées sont devenues des candidats prometteurs pour les interfaces spin-photon en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles. Néanmoins, les temps de cohérence courts du spin limitent fortement le potentiel de cette plateforme. De meilleures stratégies pour atténuer les fluctuations de l'environnement et découpler le spin de celles-ci sont nécessaires pour améliorer ses performances. À cet égard, la spectroscopie du bruit de spin (SNS) est devenue une technique clé pour obtenir des informations sur l'environnement du spin dans les systèmes atomiques et à l'état solide via la mesure de signaux polarimétriques tels que la rotation de la polarisation de Faraday. Cependant, le faible signal d'un seul spin a limité la plupart des applications de la SNS aux ensembles de spins. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle technique SNS basée sur la mesure de spins uniques via la détection de photons uniques. Nous démontrons des mesures de bruit de spin dans le régime ultrarapide au-dessus du niveau des 10 GHz, dépassant les limites traditionnelles de bande passante avec une sensibilité sans précédent.Notre approche repose sur l'interaction spin-photon renforcée par la cavité, augmentant de plusieurs ordres de grandeur les signaux polarimétriques à partir d'un seul spin. Des rotations de polarisation, dépendantes du spin, des photons réfléchis par l'interface sont observées jusqu'à π, ce qui permet de cartographier les fluctuations de spin en fluctuations de polarisation et de détecter optiquement les mécanismes de bruit de spin. De manière cruciale, le signal SNS correspond aux photons uniques. Par conséquent, les corrélations peuvent être directement calculées entre les événements de détection de photons uniques, plutôt qu'extraites des mesures d'intensité moyenne, ce qui améliore considérablement la largeur de bande de détection. En fin de compte, la résolution temporelle n'est limitée que par la gigue temporelle des détecteurs de photons uniques.Dans ce manuscrit, nous présentons cette nouvelle approche SNS pour l'étude des mécanismes de bruit des spins d'électrons et de trous dans une BQ. Nous mesurons des signaux allant de quelques MHz à des dizaines de GHz corrélant des événements de détection de photons uniques. Parallèlement, nous développons les outils théoriques permettant d'identifier et de caractériser les principaux mécanismes de décohérence des spins dans ce système. Les fonctions de corrélation mesurées sont comparées à des simulations qui calculent la matrice de densité du système conditionnelle à la détection d'un photon. Les signaux SNS correspondent bien au modèle numérique, décrivant une dynamique de spin non triviale qui ne peut être reproduite par des ajustements phénoménologiques lorentziens des spectres de bruit de spin. En fin de compte, cette technique vise à sonder les mécanismes de bruit des systèmes de spin, non limités aux BQs, afin de développer des stratégies d'atténuation plus efficaces et des séquences de découplage qui améliorent leurs performances. Ce travail est également le point de départ d'études fondamentales portant sur la rétroaction quantique induite sur des spins uniques par la détection de photons.