Quantum gas manipulation by doubly-dressed states potentials : beyond hermitian dynamics Le gaz atomique ultra-froid est un système quantique bien isolé de l’environnement, dont l’interaction avec la lumière est bien comprise. Le gaz ultra-froid devient un simulateur quantique très performant à placer sous un potentiel sur mesure généré par la lumière. L’observation de la dynamique des atomes apporte des réponses à de nombreux phénomènes quantiques, tels que l’effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité. Dans ce contexte, les microscopes à gaz quantique, limités par la diffraction, sont devenus des outils standard pour sonder ces systèmes complexes et mesurer les corrélations de densité atomique entre les sites du réseau. De plus, la capacité à manipuler le gaz quantique à l’échelle microscopique ouvre l’accès à la physique des systèmes à N corps en déséquilibre. Dans ce travail de thèse, nous étudions le contrôle sub-longueur d’onde sur des atomes ultra-froids à l’aide d’une méthode d’état excité habillé. Nous avons d’abord caractérisé le spectre de l’état excité. À partir des Lindblad master equations, une nouvelle forme de potentiel d’état fondamental a été proposée pour expliquer la dynamique cohérente de la fonction d’onde atomique. Nous avons confirmé expérimentalement la justesse de cette proposition grâce à la diffusion de Kapitza-Dirac. Nous avons ensuite réalisé une microscopie sub-longueur d’onde sur le plus petit objet quantique que nous pouvions réaliser : la fonction d’onde atomique comprimée dans un réseau optique dense. Grâce à cette technique de microscopie, nous avons pu résoudre spatialement la dynamique de tunneling cohérent entre les sites du réseau. En introduisant un canal de désintégration résolu par site, l’effet Zeno quantique a été observé pendant le tunneling, ouvrant la voie au contrôle cohérent d’une fonction d’onde atomique à des échelles sub-longueur d’onde.
Quantum gas manipulation by doubly-dressed states potentials : beyond hermitian dynamics Le gaz atomique ultra-froid est un système quantique bien isolé de l’environnement, dont l’interaction avec la lumière est bien comprise. Le gaz ultra-froid devient un simulateur quantique très performant à placer sous un potentiel sur mesure généré par la lumière. L’observation de la dynamique des atomes apporte des réponses à de nombreux phénomènes quantiques, tels que l’effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité. Dans ce contexte, les microscopes à gaz quantique, limités par la diffraction, sont devenus des outils standard pour sonder ces systèmes complexes et mesurer les corrélations de densité atomique entre les sites du réseau. De plus, la capacité à manipuler le gaz quantique à l’échelle microscopique ouvre l’accès à la physique des systèmes à N corps en déséquilibre. Dans ce travail de thèse, nous étudions le contrôle sub-longueur d’onde sur des atomes ultra-froids à l’aide d’une méthode d’état excité habillé. Nous avons d’abord caractérisé le spectre de l’état excité. À partir des Lindblad master equations, une nouvelle forme de potentiel d’état fondamental a été proposée pour expliquer la dynamique cohérente de la fonction d’onde atomique. Nous avons confirmé expérimentalement la justesse de cette proposition grâce à la diffusion de Kapitza-Dirac. Nous avons ensuite réalisé une microscopie sub-longueur d’onde sur le plus petit objet quantique que nous pouvions réaliser : la fonction d’onde atomique comprimée dans un réseau optique dense. Grâce à cette technique de microscopie, nous avons pu résoudre spatialement la dynamique de tunneling cohérent entre les sites du réseau. En introduisant un canal de désintégration résolu par site, l’effet Zeno quantique a été observé pendant le tunneling, ouvrant la voie au contrôle cohérent d’une fonction d’onde atomique à des échelles sub-longueur d’onde.
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.
Imagerie sub-longueur d'onde de nuages atomiques optiquement denses dans un microscope à gaz quantique Les atomes froids sont un système quantique très bien isolé de l’environnement. Depuis les années 80s, ils sont utilisés pour faire des capteurs atomiques très sensibles et pour approfondir la compréhension des phénomènes de la physique quantique. À de très basses températures, des régimes de gaz atomiques dégénérés peuvent être atteints. Ils sont caractérisés par un état quantique macroscopique qui peut être manipulé et contrôlé par lasers. En chargeant ces états quantiques bien déterminés dans des réseaux optiques il est possible d'étudier la dynamique de systèmes complexes à N corps qui ne peuvent être simulés numériquement. Les microscopes à gaz quantique limités par la diffraction ont ensuite émergé comme des outils pour sonder de tels systèmes et mesurer des corrélations de densité atomique entre les sites du réseau. En réduisant la taille des réseaux optiques jusqu’à des dimensions sub-longueur d’onde, il devrait être possible d’atteindre de nouvelles transitions de phase quantiques. De tels réseaux nécessitent le développement de techniques de piégeage et d’imagerie permettant de manipuler les atomes froids avec des résolutions spatiales sub-longueur d’onde.Dans ce travail de thèse, nous démontrons expérimentalement une imagerie sub-longueure d’onde d’atomes ultra-froids de Rubidium 87 dont nous expliquerons brièvement la production expérimentale. Cette imagerie utilise une méthode d’état excité habillé, initialement proposée pour générer des potentiels de piégeage sub-longueur d’onde. Pour être quantitatif sur notre imagerie par absorption de volumes sub-longueur d'onde, nous avons réinterprété et modifié une méthode de calibration des nombres d’atomes communément utilisée dans la communauté. Cette ré-interprétation repose sur une compréhension fine de l’interaction d’un atome multi-niveaux avec un champ cohérent saturant dans des conditions perturbées. En mesurant in situ la transmission d’un champ cohérent, nous montrons alors que la section efficace de diffusion à un seul atome diminue linéairement avec la densité optique et nous proposons une interprétation et un model pour cette dépendance. Après avoir calibré notre méthode d’imagerie sub-longueur d’onde qui permet d’atteindre des résolutions spatiales de 20 nm en quelques microsecondes, nous l’appliquons à la mesure super-résolue des sites d’un réseau très fortement compressés.
Les gaz quantiques ont démontré leur capacité à imiter les propriétés d'autres systèmes et constituent, à ce titre, une plateforme privilégiée pour la simulation quantique. Ces gaz, caractérisés par un haut degré de contrôle grâce à la modulation temporelle de leurs paramètres, ont surtout été étudiés dans le régime perturbatif ou dans un régime purement chaotique. Cette thèse vise à accroître les possibilités offertes par ces dispositifs en tirant partie d'une dynamique mixte, que nous appliquons au cas du transport d'ondes de matière. Nous décrivons dans ce manuscrit plusieurs études expérimentales portant sur la dynamique d'un condensat de Bose-Einstein dans un réseau optique unidimensionnel modulé en phase et en amplitude. Les expériences présentées se classent en deux catégories : (i) le régime perturbatif, pour lequel les modulations appliquées induisent peu de chaos, et (ii) le régime mixte, où coexistent à la limite classique des trajectoires régulières et chaotiques. Dans le régime perturbatif, qui constitue le premier axe de cette thèse, nous distinguons deux domaines de modulation du réseau optique. Lorsque les fréquences de modulation sont résonantes avec la structure de bandes, nous provoquons des transitions interbandes soumises à des règles de sélection. Nous démontrons alors une nouvelle méthode de refroidissement, assimilable à une évaporation dans l'espace réciproque, utilisant ces règles de sélection. Pour une modulation de phase hors résonance, la dynamique du condensat peut être décrite par un Hamiltonien effectif. Nous étudions deux de ces Hamiltoniens, qui rendent compte pour l'un d'une transition de phase quantique et pour l'autre de la renormalisation de la profondeur du réseau. Dans chaque cas nous explorons les limites de ces modèles. Le régime mixte constitue le deuxième axe d'étude de cette thèse. L'analogue classique à notre système est le pendule modulé, bien connu pour présenter des trajectoires régulières et chaotiques. Ce comportement se manifeste au niveau quantique par la présence, en plus de la structure du réseau, d'une mer chaotique. Dans ce réseau optique habillé par le chaos, nous étudions un type de transport appelé effet tunnel assisté par le chaos, qui présente des résonances susceptibles d'amplifier ou d'inhiber l'effet tunnel entre deux positions stables au sein d'un puits du réseau. Comparé aux expériences antérieures sur ce sujet, nous nous plaçons dans une configuration différente dans laquelle nous parvenons à résoudre pour la première fois ces résonances. Pour les simulateurs quantiques, ce travail ouvre la voie à un nouveau type de contrôle, avec notamment du transport à longue portée.
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.
Depuis quelques temps, les physiciens theoriciens de la matiere condensee sont confrontes a un probleme majeur : la puissance de calcul necessaire pour simuler numeriquement et etudier certains systemes a N corps est insuffisante. Comme le controle et l’utilisation des systemes d’atomes ultra-froids se sont developpes de maniere importante,principalement durant les deux dernieres decennies, nous sommes peut-etre en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids pieges dans des reseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des electrons se deplacant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes pieges dans des reseaux optiques, sont toutes les deux decrites par le meme modele de Fermi-Hubbard, qui est une presentation simplifiee du comportement des fermions sur un reseau periodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des proprietes electriques des materiaux, telle sque la conductivite ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriete smagnetiques telles que l’ordre antiferromagnetique.L’experience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaille pendant mon doctorat, a pour but d’etudie rla physique des fermions fortement correles, avec un simulateur quantique base sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, pieges dans le potentiel nanostructure des reseaux optiques bidimensionnels, generes en champ proche. Pour detecter la distribution atomique a d’aussi courtes distances, nous avons developpe une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois termine, notre systeme d’imagerie pourrait potentiellement detecter et identifier des sites individuels du reseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je decris le travail que j’ai effectue pour construire l’experience AUFRONS,ainsi que l’etude de faisabilite que j’ai realisee pour la technique d’imagerie a super-resolution.
Les gaz quantiques ont démontré leur capacité à imiter les propriétés d'autres systèmes et constituent, à ce titre, une plateforme privilégiée pour la simulation quantique. Ces gaz, caractérisés par un haut degré de contrôle grâce à la modulation temporelle de leurs paramètres, ont surtout été étudiés dans le régime perturbatif ou dans un régime purement chaotique. Cette thèse vise à accroître les possibilités offertes par ces dispositifs en tirant partie d'une dynamique mixte, que nous appliquons au cas du transport d'ondes de matière. Nous décrivons dans ce manuscrit plusieurs études expérimentales portant sur la dynamique d'un condensat de Bose-Einstein dans un réseau optique unidimensionnel modulé en phase et en amplitude. Les expériences présentées se classent en deux catégories : (i) le régime perturbatif, pour lequel les modulations appliquées induisent peu de chaos, et (ii) le régime mixte, où coexistent à la limite classique des trajectoires régulières et chaotiques. Dans le régime perturbatif, qui constitue le premier axe de cette thèse, nous distinguons deux domaines de modulation du réseau optique. Lorsque les fréquences de modulation sont résonantes avec la structure de bandes, nous provoquons des transitions interbandes soumises à des règles de sélection. Nous démontrons alors une nouvelle méthode de refroidissement, assimilable à une évaporation dans l'espace réciproque, utilisant ces règles de sélection. Pour une modulation de phase hors résonance, la dynamique du condensat peut être décrite par un Hamiltonien effectif. Nous étudions deux de ces Hamiltoniens, qui rendent compte pour l'un d'une transition de phase quantique et pour l'autre de la renormalisation de la profondeur du réseau. Dans chaque cas nous explorons les limites de ces modèles. Le régime mixte constitue le deuxième axe d'étude de cette thèse. L'analogue classique à notre système est le pendule modulé, bien connu pour présenter des trajectoires régulières et chaotiques. Ce comportement se manifeste au niveau quantique par la présence, en plus de la structure du réseau, d'une mer chaotique. Dans ce réseau optique habillé par le chaos, nous étudions un type de transport appelé effet tunnel assisté par le chaos, qui présente des résonances susceptibles d'amplifier ou d'inhiber l'effet tunnel entre deux positions stables au sein d'un puits du réseau. Comparé aux expériences antérieures sur ce sujet, nous nous plaçons dans une configuration différente dans laquelle nous parvenons à résoudre pour la première fois ces résonances. Pour les simulateurs quantiques, ce travail ouvre la voie à un nouveau type de contrôle, avec notamment du transport à longue portée.