Probing caesium Rydberg atoms close to a sapphire surface L’interaction Casimir-Polder entre un atome et une surface macroscopique est une prédiction fondamentale de l’électrodynamique quantique, importante pour les mesures de précision, les technologies quantiques et notre compréhension des propriétés électromagnétiques des matériaux. En champ proche, les interactions Casimir-Polder sont décrites comme l’interaction du dipôle atomique fluctuant avec son image induite par la surface, qui évolue comme -C3/z3, où z est la distance atome-surface et C3 le coefficient de van der Waals. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement et expérimentalement l’interaction Casimir-Polder entre un atome de césium fortement excité (atome de Rydberg) et une surface diélectrique. Notre théorie étend les études précédentes pour inclure des termes d’ordre supérieur dans l’interaction atome-surface, au-delà du terme d’interaction dipôle-dipôle étudié dans le travail de Casimir et Polder. En particulier, nous incluons des termes d’interaction quadrupole-quadrupole et dipôle-octupole avec une dépendance en distance de -C5/z5. Nous fournissions également des calculs explicites des coefficients C5 pour la plupart des atomes alcalins courants. Nous décrivons également une nouvelle expérience de réflexion sélective sondant des atomes de Rydberg de Cs (15-17D3/2 et 16-17S1/2) à des distances nanométriques d’une surface de saphir. L’expérience est réalisée dans une cellule à vapeur entièrement en saphir en utilisant une spectroscopie d’excitation par étapes qui comprend une étape de pompage à 6S1/2?6P1/2 (894nm) et une étape de sondage par réflexion sélective à 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 avec n=15-17 (~510nm). Afin d’analyser nos spectres expérimentaux, nous étendons la théorie de la réflexion sélective au-delà de l’approximation Doppler infinie, en incluant dans notre analyse la distribution Maxwell-Boltzmann des vitesses atomiques. L’ajustement de nos spectres expérimentaux avec nos modèles théoriques nous permet d’extraire le coefficient de van der Waals C3 pour les états excités du césium sondés. Les résultats expérimentaux dépassent nos prédictions théoriques (d’un facteur d’environ 1,5 à 2, selon l’état sondé). Enfin, nous décrivons une nouvelle expérience en cellule mince qui vise à éclaircir le désaccord signalé entre la théorie et l’expérience pour le coefficient C3 et à fournir une première mesure expérimentale du coefficient C5 (étude expérimentale des interactions d’ordre supérieur).
Probing caesium Rydberg atoms close to a sapphire surface L’interaction Casimir-Polder entre un atome et une surface macroscopique est une prédiction fondamentale de l’électrodynamique quantique, importante pour les mesures de précision, les technologies quantiques et notre compréhension des propriétés électromagnétiques des matériaux. En champ proche, les interactions Casimir-Polder sont décrites comme l’interaction du dipôle atomique fluctuant avec son image induite par la surface, qui évolue comme -C3/z3, où z est la distance atome-surface et C3 le coefficient de van der Waals. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement et expérimentalement l’interaction Casimir-Polder entre un atome de césium fortement excité (atome de Rydberg) et une surface diélectrique. Notre théorie étend les études précédentes pour inclure des termes d’ordre supérieur dans l’interaction atome-surface, au-delà du terme d’interaction dipôle-dipôle étudié dans le travail de Casimir et Polder. En particulier, nous incluons des termes d’interaction quadrupole-quadrupole et dipôle-octupole avec une dépendance en distance de -C5/z5. Nous fournissions également des calculs explicites des coefficients C5 pour la plupart des atomes alcalins courants. Nous décrivons également une nouvelle expérience de réflexion sélective sondant des atomes de Rydberg de Cs (15-17D3/2 et 16-17S1/2) à des distances nanométriques d’une surface de saphir. L’expérience est réalisée dans une cellule à vapeur entièrement en saphir en utilisant une spectroscopie d’excitation par étapes qui comprend une étape de pompage à 6S1/2?6P1/2 (894nm) et une étape de sondage par réflexion sélective à 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 avec n=15-17 (~510nm). Afin d’analyser nos spectres expérimentaux, nous étendons la théorie de la réflexion sélective au-delà de l’approximation Doppler infinie, en incluant dans notre analyse la distribution Maxwell-Boltzmann des vitesses atomiques. L’ajustement de nos spectres expérimentaux avec nos modèles théoriques nous permet d’extraire le coefficient de van der Waals C3 pour les états excités du césium sondés. Les résultats expérimentaux dépassent nos prédictions théoriques (d’un facteur d’environ 1,5 à 2, selon l’état sondé). Enfin, nous décrivons une nouvelle expérience en cellule mince qui vise à éclaircir le désaccord signalé entre la théorie et l’expérience pour le coefficient C3 et à fournir une première mesure expérimentale du coefficient C5 (étude expérimentale des interactions d’ordre supérieur).
Nous décrivons dans cette thèse des mesures spectroscopiques de réflexion sélective qui mettent en évidence les effets thermiques de l'interaction Casimir-Polder entre atome et surface. En régime de champ proche, cette interaction est gouvernée par un potentiel qui décroit avec le cube de la distance entre l'atome et la surface (régime van der Waals -vdW-de type dipôle-dipôle). Nous nous intéressons notamment aux niveaux excités du césium Cs (7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂), qui possèdent un couplage dipolaire avec Cs (6D) à, respectivement, 12,15 µm et ~15 µm, interagissant avec une surface de saphir thermiquement émissive dont les modes émetteurs sont situés autour de 12,2 µm. Ainsi, ces niveaux respectifs niveaux sont sensibles à une interaction vdW résonante, ou non-résonante, que nous comparons expérimentalement Le résultat le plus important de cette thèse est l'observation expérimentale de la différence de comportement du potentiel vdW en fonction de la température de fenêtre (150-800 °C), pour les niveaux Cs(7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂). Pour le niveau Cs (7P₁/₂) le potentiel vdW augment en fonction de la température, tandis que pour le niveau une légère décroissance est observée. Des expériences de spectroscopie de réflexion sélective sondant le niveau Cs (6P₁/₂), interagissant avec une surface de saphir chaude, ont aussi été réalisées, qui confirment pour ce niveau l'absence d'effet de température. Les prédictions théoriques sont raffinées par l'évaluation de la constante diélectrique du saphir en fonction de la température, à partir de données nouvelles d'émissivité fournies par le groupe CEMHTI à Orléans. Enfin, utilisant la fluorescence rétrodiffuse comme diagnostic pour la cellule chaude de Cs lorsque l'excitation était faite sur les niveaux Cs (6P ₁/₂) et Cs (7P ₁/₂), nous avons interprété de façon plus consistante que les propositions précédentes de la littérature, des structures sub-Doppler observées dans l'excitation de la fluorescence au voisinage de la fenêtre.
Nous décrivons dans cette thèse des mesures spectroscopiques de réflexion sélective qui mettent en évidence les effets thermiques de l'interaction Casimir-Polder entre atome et surface. En régime de champ proche, cette interaction est gouvernée par un potentiel qui décroit avec le cube de la distance entre l'atome et la surface (régime van der Waals -vdW-de type dipôle-dipôle). Nous nous intéressons notamment aux niveaux excités du césium Cs (7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂), qui possèdent un couplage dipolaire avec Cs (6D) à, respectivement, 12,15 µm et ~15 µm, interagissant avec une surface de saphir thermiquement émissive dont les modes émetteurs sont situés autour de 12,2 µm. Ainsi, ces niveaux respectifs niveaux sont sensibles à une interaction vdW résonante, ou non-résonante, que nous comparons expérimentalement Le résultat le plus important de cette thèse est l'observation expérimentale de la différence de comportement du potentiel vdW en fonction de la température de fenêtre (150-800 °C), pour les niveaux Cs(7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂). Pour le niveau Cs (7P₁/₂) le potentiel vdW augment en fonction de la température, tandis que pour le niveau une légère décroissance est observée. Des expériences de spectroscopie de réflexion sélective sondant le niveau Cs (6P₁/₂), interagissant avec une surface de saphir chaude, ont aussi été réalisées, qui confirment pour ce niveau l'absence d'effet de température. Les prédictions théoriques sont raffinées par l'évaluation de la constante diélectrique du saphir en fonction de la température, à partir de données nouvelles d'émissivité fournies par le groupe CEMHTI à Orléans. Enfin, utilisant la fluorescence rétrodiffuse comme diagnostic pour la cellule chaude de Cs lorsque l'excitation était faite sur les niveaux Cs (6P ₁/₂) et Cs (7P ₁/₂), nous avons interprété de façon plus consistante que les propositions précédentes de la littérature, des structures sub-Doppler observées dans l'excitation de la fluorescence au voisinage de la fenêtre.
L'attraction de surface van der Waals ou Casimir-Polder en champ proche est une interaction connue pour varier suivant l'inverse du cube de la distance de l'atome à la surface, pour des distances allant de 1 (détails structuraux négligeables) à 1000 nm (effets de propagation négligeables). Rares ont été les expériences qui ont testées effectivement cette dépendance. Nous avons développé une série d'expériences de spectroscopie analysant l'interaction de van der Waals en fonction de la distance atome - surface sur une vapeur d’atomes contenue dans une nanocellule et avons vérifié cette loi jusqu'à une distance de 20 nm. Nous avons ensuite étudié le comportement d'une vapeur confinée, à trois dimensions, dans les régions interstitielles d'une opale (réseau bidimensionnel de nanosphères). Nos expériences de spectroscopie de réflexion sur la raie de résonance du césium montrent, dans ce cas, des formes de raie sous-Doppler sur une large plage d’angles d’incidence. Ceci est conforme aux prévisions d'un calcul basé sur un indice effectif stratifié 1D que nous avons développé. Pour certaines incidences, en effet, il y a accord de phase entre la périodicité optique avec laquelle l’onde se propage dans l’opale et la distribution géométrique du milieu résonant à l’intérieur de l’opale. Sous ces conditions, la réponse résonnante fait interférer constructivement les interstices des premières couches et ceux des couches profondes. Les structures spectroscopiques étroites observées proviendraient donc bien du confinement tridimensionnel dans l'opale. Pour finir, nous avons évalué la dépendance en température de l’interaction de van der Waals avec la température de la surface. Nos expériences ont permis de vérifier les prédictions de l'électrodynamique quantique (QED) pour des températures aussi élevées que 1000 K. Nous avons montré que selon l’importance du couplage plus ou moins résonant entre l’émission d’un mode de surface d’une surface chauffée et son absorption par un atome, l’interaction atome-surface pouvait augmenter ou diminuer avec la température. L'atome se comporte alors comme une sonde quantique du champ proche émis par la surface chauffée.
Ce travail de thèse présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G. L'objectif de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre des atomes piégés dans un réseau optique et une surface massive à une grande précision. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'effet Casimir-Polder induit par la surface sur les atomes. Le but était de fournir la prédiction la plus précise possible des états atomiques. Ceci a consisté à considérer les effets de la température sur l'interaction Casimir-Polder et modéliser la surface de la manière la plus réaliste possible. Afin de résoudre le problème de divergence qu'impliquait un traitement perturbatif de l'interaction atome-surface, nous avons développé une méthode numérique pour un traitement non-perturbatif de l'interaction Casimir-Polder et modélisé l'interaction atome-surface à très courte distance par un potentiel de Lennard-Jones. Chaque effet et incertitude sur les états atomiques ont été évalués afin de déterminer s'ils seraient observables ou un facteur limitant en regard de la précision visée par l'expérience. Enfin nous nous sommes intéressés au cas d'un déséquilibre thermique entre la température du miroir et la température de l'environnement qui pourrait être induit par les lasers en présence ou un laser de chauffage. Nous avons calculé la correction du potentiel Casimir-Polder due au déséquilibre et évalué l'effet sur les niveaux d'énergie atomiques pour déterminer si cet effet pouvait être mesuré.
The Casimir-Polder interaction between atoms and macroscopic surfaces is a fundamental prediction of quantum electrodynamics of importance for precision measurements, quantum technologies and our understanding of the electromagnetic properties of materials. In the near field, Casimir-Polder interactions are described as the interaction of the fluctuating atomic dipole with its surface induced image, which evolves as -C3/z3 where z is the atom-surface distance and C3 is the van der Waals coefficient. In this thesis, we study both theoretically and experimentally the Casimir-Polder interaction between a highly excited cesium atom (Rydberg atom) and a dielectric surface. Our theory extends previous studies to[3]include higher-order terms in the atom-surface interaction, beyond the dipole-dipole interaction term investigated in the seminal work of Casimir and Polder. In particular, we include quadrupole-quadrupole and dipole-octupole interaction terms with a distance dependence of ?C5/z5 giving explicit calculations of the C5 coefficients for most common alkali atoms. We also describe a new selective reflection experiment probing Cs Rydberg atoms (15-17D3/2 and 16-17S1/2) at nanometric distances away from a sapphire surface. The experiment is performed in an all-sapphire vapour cell using stepwise excitation spectroscopy that includes a pumping step at 6S1/2?6P1/2 (894nm) and a selective reflection probing step at 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 with n=15-17 (~510nm). In order to analyze our experimental spectra, we extend selective reflection theory beyond the infinite Doppler approximation, including in our analysis the Maxwell-Boltzmann distribution of atomic velocities. Fitting our experimental spectra with our theoretical models allows us to extract the C3 van der Waals coefficient for the probed cesium excited states. The experimental results exceed our theoretical predictions (by a factor of about 1.5-2, depending on the probed state). Finally, we describe a new thin-cell experiment that aims to illuminate the reported disagreement between theory and experiment for the C3 coefficient and provide a first experimental measurement of the C5 coefficient (experimental study of higher-order interactions).
Dans cette these nous avons etudie differents aspects de l'interaction entre un atome et une surface dielectrique. Nous avons notamment recherche experimentalement des situations ou l'interaction de van der Waals a longue portee varie avec la population thermique de photons du vide, telle qu'imposee par un equilibre avec l'environnement. Une variation avec la temperature est prevue lorsqu'il y a un couplage virtuel resonnant en champ proche entre l'emission thermique de la surface (dans l'IR) et une absorption atomique. Notre recherche a porte sur l'interaction entre Cs(8P) et une surface de CaF2 en utilisant la spectroscopie de reflexion selective. Jusqu'a present, les valeurs experimentales du coefficient C3 de l'interaction de van der Waals sont en contradiction avec les predictions theoriques. Nous avons pourtant raffine les predictions theoriques en introduisant dans les calculs la dependance en temperature de la constante dielectrique, a partir de nouvelles mesures de la reflectance sur des surfaces de saphir, CaF2 et BaF2 effectues a differentes temperatures. Nous avons, en outre, observe, sur une experience auxiliaire d'absorption saturee, des raies inedites autour de la transition 6S1/2→8P, que nous avons attribuees a des dimeres specifiquement formes par nos faisceaux lasers. Ces raies apparaissent pour des densites de vapeur inhabituellement faibles. A un regime de plus faible distance de l'interaction atome-surface, ou le potentiel combine attraction van der Waals et repulsion au voisinage immediat de la surface, nous avons analyse la possibilite d'observer des oscillations de Bloch, en considerant le cas d'un atome d'Helium adsorbe sur une surface de LiF et soumis a une force externe.