Refroidissement laser de l'ytterbium sur la ligne d'intercombinaison pour des expériences sur la localisation de la lumière Dans cette thèse, nous étudions un piège magnéto-optique (MOT) d'atomes d'ytterbium (Yb) qui a été construit pour réaliser des expériences visant l'observation de la localisation de la lumière en trois dimensions (3D). La localisation d'Anderson, c'est-à-dire l'absence de diffusion due au désordre, était considéré comme un phénomène omniprésent, mais récemment son existence dans le cas des ondes lumineuses est remise en question. L'observation expérimentale de la localisation de la lumière en 3D a été intensément recherchée depuis les années 80 et récemment les atomes froids sont apparus comme des échantillons prometteurs pour l'étudier. Les atomes d'ytterbium sont bons candidats pour l'observation des effets de localisation en raison de leur état fondamental non dégénérés pour les isotopes bosoniques et la largeur de raie de la transition d'intercombinaison ¹S₀ − ³P₁ (182 kHz) qui est un bon compromis entre un élargissement Doppler négligeable et la possibilité de recourir à des techniques de détection résolues dans le temps. Nous présentons une configuration expérimentale relativement compacte qui permet de charger jusqu'à 1 × 10⁹ atomes dans un MOT fonctionnant sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ sans utilisation d'un ralentisseur Zeeman. En particulier, le système laser qui fournit 2,5 W à 399 nm est discuté, car des puissances élevées sont nécessaires en raison de la forte intensité de saturation de la transition. Une explication détaillée du système pour transférer jusqu'à 2 × 10⁸ atomes du MOT chargé sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ vers la transition ¹S₀ − ³P₁ est fournie, et une attention particulière est porté à la configuration utilisée pour la stabilisation de la fréquence laser. Nous employons la spectroscopie de transfert de modulation et détection équilibrée, nous permettant d'utiliser comme référence de fréquence une transition de l'iode moléculaire (¹²⁷I₂) relativement faible mais proche de la transition d'intercombinaison de l'ytterbium. Nous proposons une caractérisation de la stabilité de la fréquence du laser, ainsi que de la raie du ¹²⁷I₂. Un nuage atomique dense et froid est obtenu, et peut être utilisé pour réaliser des expériences sur les effets collectifs dans des atomes froids. Des idées pour l'optimisation de la configuration actuelle en vue de l'observation de la localisation de la lumière sont discutés. Enfin, des calculs du coefficient de diffusion dépendant de la position basés sur le la théorie auto-cohérente de la localisation sont détaillés pour les systèmes 2D. Nous comparons les résultats obtenus pour différentes tailles et désordres de systèmes. Ces calculs seront utilisés pour étudier les signatures de localisation de la lumière en 2D, mais ils ouvrent également la voie vers leur extension aux trois dimensions qui pourraient être utilisées pour interpréter les expériences futures.
Refroidissement laser de l'ytterbium sur la ligne d'intercombinaison pour des expériences sur la localisation de la lumière Dans cette thèse, nous étudions un piège magnéto-optique (MOT) d'atomes d'ytterbium (Yb) qui a été construit pour réaliser des expériences visant l'observation de la localisation de la lumière en trois dimensions (3D). La localisation d'Anderson, c'est-à-dire l'absence de diffusion due au désordre, était considéré comme un phénomène omniprésent, mais récemment son existence dans le cas des ondes lumineuses est remise en question. L'observation expérimentale de la localisation de la lumière en 3D a été intensément recherchée depuis les années 80 et récemment les atomes froids sont apparus comme des échantillons prometteurs pour l'étudier. Les atomes d'ytterbium sont bons candidats pour l'observation des effets de localisation en raison de leur état fondamental non dégénérés pour les isotopes bosoniques et la largeur de raie de la transition d'intercombinaison ¹S₀ − ³P₁ (182 kHz) qui est un bon compromis entre un élargissement Doppler négligeable et la possibilité de recourir à des techniques de détection résolues dans le temps. Nous présentons une configuration expérimentale relativement compacte qui permet de charger jusqu'à 1 × 10⁹ atomes dans un MOT fonctionnant sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ sans utilisation d'un ralentisseur Zeeman. En particulier, le système laser qui fournit 2,5 W à 399 nm est discuté, car des puissances élevées sont nécessaires en raison de la forte intensité de saturation de la transition. Une explication détaillée du système pour transférer jusqu'à 2 × 10⁸ atomes du MOT chargé sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ vers la transition ¹S₀ − ³P₁ est fournie, et une attention particulière est porté à la configuration utilisée pour la stabilisation de la fréquence laser. Nous employons la spectroscopie de transfert de modulation et détection équilibrée, nous permettant d'utiliser comme référence de fréquence une transition de l'iode moléculaire (¹²⁷I₂) relativement faible mais proche de la transition d'intercombinaison de l'ytterbium. Nous proposons une caractérisation de la stabilité de la fréquence du laser, ainsi que de la raie du ¹²⁷I₂. Un nuage atomique dense et froid est obtenu, et peut être utilisé pour réaliser des expériences sur les effets collectifs dans des atomes froids. Des idées pour l'optimisation de la configuration actuelle en vue de l'observation de la localisation de la lumière sont discutés. Enfin, des calculs du coefficient de diffusion dépendant de la position basés sur le la théorie auto-cohérente de la localisation sont détaillés pour les systèmes 2D. Nous comparons les résultats obtenus pour différentes tailles et désordres de systèmes. Ces calculs seront utilisés pour étudier les signatures de localisation de la lumière en 2D, mais ils ouvrent également la voie vers leur extension aux trois dimensions qui pourraient être utilisées pour interpréter les expériences futures.
Dans cette thèse, nous étudions un piège magnéto-optique (MOT) d'atomes d'ytterbium (Yb) qui a été construit pour réaliser des expériences visant l'observation de la localisation de la lumière en trois dimensions (3D). La localisation d'Anderson, c'est-à-dire l'absence de diffusion due au désordre, était considéré comme un phénomène omniprésent, mais récemment son existence dans le cas des ondes lumineuses est remise en question. L'observation expérimentale de la localisation de la lumière en 3D a été intensément recherchée depuis les années 80 et récemment les atomes froids sont apparus comme des échantillons prometteurs pour l'étudier. Les atomes d'ytterbium sont bons candidats pour l'observation des effets de localisation en raison de leur état fondamental non dégénérés pour les isotopes bosoniques et la largeur de raie de la transition d'intercombinaison ¹S₀ − ³P₁ (182 kHz) qui est un bon compromis entre un élargissement Doppler négligeable et la possibilité de recourir à des techniques de détection résolues dans le temps. Nous présentons une configuration expérimentale relativement compacte qui permet de charger jusqu'à 1 × 10⁹ atomes dans un MOT fonctionnant sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ sans utilisation d'un ralentisseur Zeeman. En particulier, le système laser qui fournit 2,5 W à 399 nm est discuté, car des puissances élevées sont nécessaires en raison de la forte intensité de saturation de la transition. Une explication détaillée du système pour transférer jusqu'à 2 × 10⁸ atomes du MOT chargé sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ vers la transition ¹S₀ − ³P₁ est fournie, et une attention particulière est porté à la configuration utilisée pour la stabilisation de la fréquence laser. Nous employons la spectroscopie de transfert de modulation et détection équilibrée, nous permettant d'utiliser comme référence de fréquence une transition de l'iode moléculaire (¹²⁷I₂) relativement faible mais proche de la transition d'intercombinaison de l'ytterbium. Nous proposons une caractérisation de la stabilité de la fréquence du laser, ainsi que de la raie du ¹²⁷I₂. Un nuage atomique dense et froid est obtenu, et peut être utilisé pour réaliser des expériences sur les effets collectifs dans des atomes froids. Des idées pour l'optimisation de la configuration actuelle en vue de l'observation de la localisation de la lumière sont discutés. Enfin, des calculs du coefficient de diffusion dépendant de la position basés sur le la théorie auto-cohérente de la localisation sont détaillés pour les systèmes 2D. Nous comparons les résultats obtenus pour différentes tailles et désordres de systèmes. Ces calculs seront utilisés pour étudier les signatures de localisation de la lumière en 2D, mais ils ouvrent également la voie vers leur extension aux trois dimensions qui pourraient être utilisées pour interpréter les expériences futures.
Contrôle optique du transport de la lumière dans un nuage d'atomes d'ytterbium froids L'objectif de l'expérience est de démontrer le phénomène tant attendu de la localisation d'Anderson, qui implique la suppression complète du coefficient de diffusion dans un système fortement désordonné en raison de l'interférence destructive entre plusieurs ondes partielles diffusées par le désordre. La démonstration de la localisation nécessite, comme condition préalable, une connaissance précise des propriétés de transport de la lumière. Par conséquent, la mesure de la diffusion de la lumière dans un ensemble atomique contrôlé et bien caractérisé constitue un pont essentiel vers les études de localisation. Cette thèse explore l'interaction de la lumière au sein d'avec un ensemble atomique froid et optiquement dense d'atomes d'ytterbium (Yb). Elle se concentre sur deux aspects principaux : le contrôle des états atomiques à l'aide de champs optiques spécialement conçus, et le transport de la lumière dans des milieux fortement diffusants. La première partie décrit l'optimisation et la caractérisation d'un piège magnéto-optique (MOT) à largeur de raie étroite, fonctionnant sur la raie d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ à 556 nm. Nous commençons par motiver le choix de l'Yb et tirons parti de sa raie d'intercombinaison étroite, qui offre une voie alternative et très efficace, par rapport aux atomes alcalins, pour atteindre des températures ultra-froides en chargeant un piège magnéto-optique (MOT) en deux étages. La caractérisation du MOT démontre des températures de nuages atomiques aussi basses que 14 μK, avec un nombre d'atomes de l'ordre de 5 * 10⁸. La densité optique maximale sur la transition ³P₁ atteint des valeurs allant jusqu'à 100, suffisantes pour entrer dans le régime de diffusion multiple. Nous présentons ensuite le contexte théorique et l'observation expérimentale des décalages lumineux dans les atomes froids de ¹⁷⁴Yb. La mise en œuvre de décalages lumineux accordables comme outil pour manipuler la structure de l'état interne et démontrer avec succès le contrôle indépendant des sous-niveaux magnétiques m = ±1,0 de l'état ³P₁ sans avoir besoin d'un champ magnétique externe. En nous appuyant sur ce mécanisme, nous démontrons un analogue entièrement optique de l'effet Faraday. Nos observations confirment l'émergence de la biréfringence et de la rotation de polarisation à la suite d'un habillage optique différentiel, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives. Enfin, nous avons introduit une nouvelle méthode expérimentale permettant de préparer directement l'excitation optique in situ au cœur de notre échantillon atomique optiquement dense d'Yb, ce qui a permis d'observer directement l'évolution spatiale cette excitation et sa dynamique temporelle en mesurant la population des différents états internes. Nous avons extrait les paramètres de diffusion en nous affranchissant des effets de bord du nuage, ce qui nous a permis d'obtenir une image plus complète du transport de la lumière dans des ensembles denses et optiquement épais. Les résultats valident non seulement les modèles théoriques, mais ouvrent également la voie à un contrôle précis des interactions lumière-matière dans des systèmes quantiques complexes. Dans l'ensemble, ces travaux établissent de nouvelles méthodes pour contrôler, sonder et comprendre les interactions lumière-matière dans des ensembles atomiques ultra-froids optiquement denses. L'effet Faraday induit optiquement offre un accès réglable et sans champ magnétique à la biréfringence atomique, tandis que l'étude in situ de la propagation de la lumière permet de contrôler la fréquence des photons qui se propagent dans l'ensemble dense.
Le nouveau projet expérimental décrit dans cette thèse a pour vocation l'étude de la localisation d'Anderson, un phénomène où la diffusion d'une onde, dans un milieu désordonné, est arrêtée par les interférences. Pour reproduire les conditions prévues dans le modèle de P.W. Anderson, on choisit d'étudier la diffusion à trois dimensions de la lumière dans un gaz d'atomes froids. En particulier, le dispositif devra permettre d'augmenter le désordre dans le nuage d'atomes froids jusqu'à observer la transition de phase entre un nuage conducteur pour la lumière et un nuage isolant. La mise à disposition d'un gaz d'atomes froids ayant la densité et les dimensions nécessaires à l'étude de la localisation fait l'objet de cette thèse. Ce travail de thèse comprend la conception et la construction d'un dispositif ayant pour ambition de piéger un maximum d'atomes. Le gaz d'atomes froids piégés est obtenu par le refroidissement Doppler, sur la transition ¹S₀ → ¹P₁, d'un jet d'ytterbium dans un piège magnéto-optique. Le jet atomique est caractérisé en fonction de la température du four. Au-dessus d'une température critique, la croissance de son débit diminue fortement dû à un changement de régime d'écoulement dans les micro-tubes de filtrage du four. Pour le refroidissement Doppler, on dispose d'un laser de 2,5 W à 399 nm. Le nombre d'atomes capturés par le piège magnéto-optique dépend du taux de chargement et des pertes. On optimise d'abord le taux de chargement jusqu'à 3,2 × 10⁹ atomes/s. Ensuite, on caractérise les sources de pertes qui sont, aux faibles densités atomiques, majoritairement dues aux collisions avec le gaz résiduel chaud ; et à plus haute densité, dues aux collisions assistées par la lumière entre atomes piégés. Notre meilleur résultat est un milliard d'atomes piégés avec une épaisseur optique trop faible pour générer de la diffusion multiple de la lumière dans le nuage. Finalement, une étape de refroidissement supplémentaire ainsi que des pistes d'amélioration sont brièvement présentées. Le refroidissement et la compression du nuage sur la transition d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ ont permis d'obtenir une épaisseur optique suffisante pour l'observation d'un cône de rétrodiffusion cohérente. Ce cône est une signature préliminaire encourageante vers la localisation d'Anderson.
Le nouveau projet expérimental décrit dans cette thèse a pour vocation l'étude de la localisation d'Anderson, un phénomène où la diffusion d'une onde, dans un milieu désordonné, est arrêtée par les interférences. Pour reproduire les conditions prévues dans le modèle de P.W. Anderson, on choisit d'étudier la diffusion à trois dimensions de la lumière dans un gaz d'atomes froids. En particulier, le dispositif devra permettre d'augmenter le désordre dans le nuage d'atomes froids jusqu'à observer la transition de phase entre un nuage conducteur pour la lumière et un nuage isolant. La mise à disposition d'un gaz d'atomes froids ayant la densité et les dimensions nécessaires à l'étude de la localisation fait l'objet de cette thèse. Ce travail de thèse comprend la conception et la construction d'un dispositif ayant pour ambition de piéger un maximum d'atomes. Le gaz d'atomes froids piégés est obtenu par le refroidissement Doppler, sur la transition ¹S₀ → ¹P₁, d'un jet d'ytterbium dans un piège magnéto-optique. Le jet atomique est caractérisé en fonction de la température du four. Au-dessus d'une température critique, la croissance de son débit diminue fortement dû à un changement de régime d'écoulement dans les micro-tubes de filtrage du four. Pour le refroidissement Doppler, on dispose d'un laser de 2,5 W à 399 nm. Le nombre d'atomes capturés par le piège magnéto-optique dépend du taux de chargement et des pertes. On optimise d'abord le taux de chargement jusqu'à 3,2 × 10⁹ atomes/s. Ensuite, on caractérise les sources de pertes qui sont, aux faibles densités atomiques, majoritairement dues aux collisions avec le gaz résiduel chaud ; et à plus haute densité, dues aux collisions assistées par la lumière entre atomes piégés. Notre meilleur résultat est un milliard d'atomes piégés avec une épaisseur optique trop faible pour générer de la diffusion multiple de la lumière dans le nuage. Finalement, une étape de refroidissement supplémentaire ainsi que des pistes d'amélioration sont brièvement présentées. Le refroidissement et la compression du nuage sur la transition d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ ont permis d'obtenir une épaisseur optique suffisante pour l'observation d'un cône de rétrodiffusion cohérente. Ce cône est une signature préliminaire encourageante vers la localisation d'Anderson.
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.
Cette thèse s'intéresse à la problématique de l'étude expérimentale du transport quantique d'ondes de matière avec des atomes froids. Ceux-ci étant facilement contrôlables, ils offrent la possibilité de créer des systèmes d'étude idéaux, notamment pour tester des théories de matière condensée. L'ensemble du système expérimental utilisé pour cela est décrit en détail dans le manuscrit. Il permet de réaliser des expériences aussi bien à une dimension qu'à trois dimensions, à partir de l'expansion cohérente d'ondes de matières issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous intéressons en particulier au problème du transport quantique dans les milieux désordonnés, qui conduit au phénomène de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les résultats récemment obtenus à une dimension, qui ont permis d'observer directement le phénomène avec des ondes de matière. Nous présentons ensuite les premières étapes d'une expérience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparaît dans les systèmes tridimensionnels. Enfin, nous présentons une étude détaillée d'un laser à atomes guidés, qui pourrait se révéler être un outil particulièrement adapté à l'étude des phénomènes de transport quantique d'ondes de matière. Il permet en effet de contrôler de façon indépendante l'énergie des ondes de matière extraites, ainsi que le flux atomique à l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liées à sa génération par une transition radiofréquence, aussi bien qu'à sa propagation dans un guide d'onde, sont données.