Guides d'ondes à modes lents et atomes froids : vers une plateforme polyvalente d'électrodynamique quantique en guide d'onde Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Guides d'ondes à modes lents et atomes froids : vers une plateforme polyvalente d'électrodynamique quantique en guide d'onde Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Développement d'une plateforme nanophotonique à modes lents pour l'interaction forte entre des atomes de Rb froids et des photons guidés Cette thèse présente les résultats de recherche obtenues au course de ma thèse portant sur la conception, la fabrication et les premières caractérisations optiques de guides d’ondes à cristal photonique à mode lent à base de GaInP, destinés à la forte interaction des photons guidés avec la transition D₂ (780 nm) des atomes de ⁸⁷Rb. L’approche choisie implique le couplage des atomes au mode optique guidé, un concept appelé électrodynamique quantique en guide d’ondes (QED en guide d’ondes). Les guides d’ondes à cristal photonique ont été conçus avec une ingénierie de dispersion pour atteindre un mode lent ayant des indices de groupe élevés (∼ 30 - 50) autour de 780 nm. La conception, la tolérance de fabrication a été prise en compte pour garantie un mode lent sur une bande d’environ 10 nm. Le guide d’ondes est destiné à être suspendu, permettant ainsi un espace libre autour de lui pour faciliter le transport des atomes à proximité et le couplage de la lumière depuis une source laser externe. Les détails sur le processus de nanofabrication optimisé et reproductible sont donnés dans cette thèse. Les défis rencontrés lors de la fabrication et les solutions apportées ont été abordés, suivis d’une analyse des résultats de la fabrication des nanostructures. Une caractérisation optique préliminaire des guides d’ondes a été réalisée, au cours de laquelle les spectres de transmission de différentes nanostructures ont été mesurés.
Lumière lente dans les guides à cristaux photoniques pour l'interaction renforcée avec la matière Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
Cette thèse présente les résultats de recherche obtenues au course de ma thèse portant sur la conception, la fabrication et les premières caractérisations optiques de guides d’ondes à cristal photonique à mode lent à base de GaInP, destinés à la forte interaction des photons guidés avec la transition D₂ (780 nm) des atomes de ⁸⁷Rb. L’approche choisie implique le couplage des atomes au mode optique guidé, un concept appelé électrodynamique quantique en guide d’ondes (QED en guide d’ondes). Les guides d’ondes à cristal photonique ont été conçus avec une ingénierie de dispersion pour atteindre un mode lent ayant des indices de groupe élevés (∼ 30 - 50) autour de 780 nm. La conception, la tolérance de fabrication a été prise en compte pour garantie un mode lent sur une bande d’environ 10 nm. Le guide d’ondes est destiné à être suspendu, permettant ainsi un espace libre autour de lui pour faciliter le transport des atomes à proximité et le couplage de la lumière depuis une source laser externe. Les détails sur le processus de nanofabrication optimisé et reproductible sont donnés dans cette thèse. Les défis rencontrés lors de la fabrication et les solutions apportées ont été abordés, suivis d’une analyse des résultats de la fabrication des nanostructures. Une caractérisation optique préliminaire des guides d’ondes a été réalisée, au cours de laquelle les spectres de transmission de différentes nanostructures ont été mesurés.
Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
Transport d’atomes ultra-froids et couplage à des surfaces nano-structurées L'entrée dans le nouveau millénaire a été marquée dans la communauté quantique par les premières réalisations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein d'atomes dans un gaz, obtenues par différents groupes de recherche. Vingt-cinq années plus tard, de tels systèmes sont produits régulièrement et sont au cœur de nombreuses expériences. À la frontière entre la théorie de la matière condensée, l'optique quantique et la physique atomique, l'étude des atomes ultra-froids est un sujet scientifiquement très prometteur.Un gaz ultra-froid peut être piégé dans des réseaux optiques, offrant ainsi un moyen réaliste de mettre expérimentalement en place une nouvelle gamme d'Hamiltonien périodiques, utilisés pour simuler la matière condensée. Dans de telles simulations, des atomes ultra-froids imitent le comportement des électrons dans un matériau à l'état solide et pourraient être utilisés pour simuler une large gamme de phénomènes complexes en matière condensée, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité à température ambiante.Afin d'étudier de tels systèmes, des microscopes à gaz quantiques, limités par la diffraction, ont émergé comme un moyen de manipuler et de détecter les atomes piégés dans des potentiels périodiques. Utilisant l'interférence en champ lointain, les expériences ont principalement été limitées à des réseaux ayant des périodes proche de 500 nm, ce qui limite la vitesse de la dynamique des processus physiques étudiés. Les régimes d'énergie plus élevés pourraient être atteints en réduisant la période du réseau.Pour ce faire, l'un des objectifs à long terme de l'équipe est de piéger des atomes dans le champ proche d'une surface et d'utiliser les forces de Casimir-Polder pour façonner des potentiels sub-longueur d'onde. Grâce aux capacités de nano-fabrication, l'espacement entre les sites peut être réduit à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, cela nécessite d'adapter les techniques d'imagerie pour observer les atomes avec des résolutions spatiales sub-longueur d'onde.Dans ce manuscrit de thèse, je rapporte dans un premier temps les avancées vers la mise en place d'une puce atomique sur l'expérience AUFRONS, qui servira de plateforme pour manipuler le gaz quantique. Je présente des simulations numériques et étudie une solution expérimentale permettant de transporter le nuage jusqu'au champ proche. La méthode est basée sur l'interférence d'un rayonnement laser dans le champ proche d'une surface en rotation. Celle-ci a été entièrement simulée et les limites ont été évaluées numériquement et expérimentalement. Je conclus cette partie en présentant le premier modèle de puce qui a été fabriqué.Dans une seconde partie, je détaille le développement d'une méthode d'imagerie sub-longueur d'onde d'atomes ultra-froids de Rubidium 87 basée sur l'habillage des états excités. J’approfondis le concept de cette méthode atteignant des résolutions spatiales nanométriques et l'applique pour résoudre la fonction d'onde de taille inférieur à 30 nm, piégée dans un site unique d'un réseau optique.