Diffusion de lumière collective dans des ensembles ordonnés d'atomes de dysprosium Cette thèse porte sur le développement d'une expérience de pince optique utilisant des atomes de dysprosium et sur la mise en œuvre de protocoles expérimentaux pour étudier la diffusion collective de la lumière. Lorsque les atomes sont excités par une lumière résonante, ils peuvent émettre des champs électromagnétiques qui médient les interactions dipôle-dipôle résonnantes entre eux. Lorsqu'elles sont suffisamment fortes, ces interactions modifient la réponse atomique au champ d'excitation. Pour atteindre ce régime, il faut des distances interatomiques comparables à la longueur d'onde optique. Ce travail présente les techniques expérimentales développées pour atteindre cet objectif.La première partie de la thèse décrit la plateforme expérimentale conçue pour piéger et imager pour la première fois des atomes de dysprosium individuels dans des réseaux de pinces optiques. Afin de permettre l'observation de la diffusion collective de la lumière, nous avons développé des méthodes permettant de confiner étroitement les atomes, réduisant ainsi le désordre positionnel, ce qui est une condition essentielle pour des interactions dipôle-dipôle contrôlables.En exploitant la complexité de la structure atomique du dysprosium, nous avons développé une méthode permettant de lire l'état interne de chaque atome dans le réseau. Cette capacité nous a permis d'étudier les effets à l'état stationnaire des interactions médiées par la lumière dans le régime optique linéaire et dans le régime non linéaire, où la nature à deux niveaux des atomes devient importante. Nous avons notamment mesuré les décalages de la fréquence de résonance atomique induits par les interactions dipôle-dipôle résonnantes. Tirant parti de la flexibilité des réseaux de pinces optiques, nous avons étudié comment la géométrie du système influence ces interactions. À l'aide de la spectroscopie de Ramsey, nous avons ensuite étudié la dynamique temporelle des décalages de fréquence.Afin d'obtenir des effets collectifs plus prononcés, nous nous sommes ensuite concentrés sur la réduction du désordre positionnel grâce au refroidissement par bande latérale sur une transition à largeur de raie étroite. Les performances de ce protocole de refroidissement ont été caractérisées en mesurant le nombre moyen d'occupations cinétiques à l'aide de la thermométrie Raman.La dernière partie de la thèse présente les améliorations apportées au dispositif expérimental, notamment l'installation d'un objectif de microscope à haute ouverture numérique (NA = 0.7) et l'ajout d'un deuxième réseau de pinces. Ces améliorations permettront de réaliser à l'avenir des expériences avec des séparations interatomiques bien inférieures à la longueur d'onde optique, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l'ingénierie des interactions lumière-matière.
Diffusion de lumière collective dans des ensembles ordonnés d'atomes de dysprosium Cette thèse porte sur le développement d'une expérience de pince optique utilisant des atomes de dysprosium et sur la mise en œuvre de protocoles expérimentaux pour étudier la diffusion collective de la lumière. Lorsque les atomes sont excités par une lumière résonante, ils peuvent émettre des champs électromagnétiques qui médient les interactions dipôle-dipôle résonnantes entre eux. Lorsqu'elles sont suffisamment fortes, ces interactions modifient la réponse atomique au champ d'excitation. Pour atteindre ce régime, il faut des distances interatomiques comparables à la longueur d'onde optique. Ce travail présente les techniques expérimentales développées pour atteindre cet objectif.La première partie de la thèse décrit la plateforme expérimentale conçue pour piéger et imager pour la première fois des atomes de dysprosium individuels dans des réseaux de pinces optiques. Afin de permettre l'observation de la diffusion collective de la lumière, nous avons développé des méthodes permettant de confiner étroitement les atomes, réduisant ainsi le désordre positionnel, ce qui est une condition essentielle pour des interactions dipôle-dipôle contrôlables.En exploitant la complexité de la structure atomique du dysprosium, nous avons développé une méthode permettant de lire l'état interne de chaque atome dans le réseau. Cette capacité nous a permis d'étudier les effets à l'état stationnaire des interactions médiées par la lumière dans le régime optique linéaire et dans le régime non linéaire, où la nature à deux niveaux des atomes devient importante. Nous avons notamment mesuré les décalages de la fréquence de résonance atomique induits par les interactions dipôle-dipôle résonnantes. Tirant parti de la flexibilité des réseaux de pinces optiques, nous avons étudié comment la géométrie du système influence ces interactions. À l'aide de la spectroscopie de Ramsey, nous avons ensuite étudié la dynamique temporelle des décalages de fréquence.Afin d'obtenir des effets collectifs plus prononcés, nous nous sommes ensuite concentrés sur la réduction du désordre positionnel grâce au refroidissement par bande latérale sur une transition à largeur de raie étroite. Les performances de ce protocole de refroidissement ont été caractérisées en mesurant le nombre moyen d'occupations cinétiques à l'aide de la thermométrie Raman.La dernière partie de la thèse présente les améliorations apportées au dispositif expérimental, notamment l'installation d'un objectif de microscope à haute ouverture numérique (NA = 0.7) et l'ajout d'un deuxième réseau de pinces. Ces améliorations permettront de réaliser à l'avenir des expériences avec des séparations interatomiques bien inférieures à la longueur d'onde optique, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l'ingénierie des interactions lumière-matière.
Chaines d'atomes uniques de dysprosium dans des pinces optiques pour étudier la diffusion collective de la lumière Cette thèse porte sur la construction d'une expérience de pinces optiques avec des atomes de dysprosium pour étudier les interactions induites par la lumière.Le but est d'étudier des situations dans laquelle le champ électrique rayonné par un atome lorsqu'il se désexcite peut influencer un autre atome proche.Le travail présenté ici montre que les techniques développées pour imager et manipulerdes atomes individuels dans des pinces optiques peuvent fournir de nouveaux outils expérimentaux pour étudier le problème de la diffusion collective de la lumière.Une première partie de la thèse consiste en la conception et la construction d'une expérience de pinces optiques utilisant pour la première fois des atomes de dysprosium. Une fois le système construit, nous avons caractérisé le comportement des atomes de dysprosium dans les pinces optiques.En particulier, nous avons mesuré l'influence de la polarisation de la lumière du piège sur la polarisabilité de l'atome.Grâce à ces mesures, nous avons montré l'existence d'une polarisation magique qui rend possible l'imagerie non-destructive d'atomes uniques de dysprosium avec haute fidélité.Une fois ce but atteint, nous avons réalisé de premières expériences de diffusion de la lumière sur des ensembles atomiques ordonnés réalisés avec des pinces optiques.Pour ce faire, nous avons développé une technique de détection de l'état interne d'un atome unique sur une transition optique en utilisant la structure riche de l'atome de dysprosium.Grâce à cette technique, nous avons étudié comment le champ électrique rayonné par un atome sur un autre influence la mesure de la fréquence de la transition.Nous avons observé le décalage collectif du spectre en régime stationnaire dans l'approximation de dipôles rayonnants classiques.Nous avons ensuite mesuré l'influence de ces interactions sur la spectroscopie de Ramsey.Cette situation ne peut être décrite dans une approximation classique et il est nécessaire de tenir compte de la discrétisation de l'état interne des atomes.Nous faisons également le lien entre les résultats obtenus dans ce régime et la limiteclassique.
Emission spontanée collective par des ensembles denses d'atomes à deux niveaux On s’intéresse au problème de la diffusion de la lumière par un ensemble dense d’atomes froids dans le régime dit ”de Dicke”, dans lequel un grand nombre d’atomes est contenu dans un volume dont les dimensions sont plus petites que la longueur d’onde de la transition atomique. Quand la lumière a une fréquence proche de celle de l’une transition atomique, elle induit des dipôles. Dans un milieu dense, ces dipôles interagissent entre eux : chaque dipôle est excité par les champs rayonnés par les autres dipôles. Ces interactions résonantes entre les dipôles induits modifient la réponse collective de l’ensemble. En particulier, elles modifient le taux auquel l’ensemble se désexcite par émission spontanée. Une désexcitation plus rapide que celle d’un atome unique est appelée super-radiance et une désexcitation plus lente est appelée sous-radiance.Dans cette thèse, nous développons d’abord des méthodes expérimentales pour l’étude de ce problème, nous permettant de préparer, d’observer et de manipuler des nuages denses d’atomes à deux niveaux contenant plusieurs milliers d’atomes froids dans un régime proche du régime de Dicke. Nous étudions ensuite les propriétés d’émission collective de ces systèmes lorsqu’ils sont soumis à de la lumière laser résonante, pendant et après l’excitation. On observe les désexcitations super- et sous-radiantes pour la première fois dans ce régime, et on montre qu’elles sont gouvernées uniquement par le nombre d’atomes dans le nuage. Nous avons ensuite caractérisé les oscillations de Rabi collectives des ensembles d’atomes pilotés par laser. Enfin, nous démontrons un protocole pour relâcher à la demande des excitations stockées dans des états sous-radiants, ce qui est un prérequis pour des applications de stockage de la lumière. Pour conclure, on fait une synthèse des résultats obtenus et on propose des perspectives pour des recherches futures.
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.
Construction d'un nouveau dispositif flexible pour la mesure des effets collectifs lumière-matière dans un nuage atomique dense Cette thèse décrit la construction, la caractérisation et l'évaluation comparative d'un dispositif expérimental qui fournit une plateforme basée sur des atomes froids pour étudier les interactions lumière-matière.Le dispositif repose sur une conception sous vide très compacte, comprenant une cellule en verre comme chambre scientifique. L'objectif du dispositif est de piéger un grand nombre d'atomes, de l'ordre de plusieurs milliers, dans un piège dipolaire de faible volume, appelé « pince optique ».Les interactions entre les atomes et la lumière sont bien comprises dans le cas d'un ensemble d'émetteurs à deux niveaux couplés indépendamment au champ lumineux, mais dans ce dispositif, le nuage atomique atteint des densités si élevées que le couplage dipolaire entre les émetteurs joue un rôle important. Cette plateforme permet d'étudier l'effet de cette interaction collective entre les atomes et le champ lumineux sur la fluorescence atomique émise.L'intérêt fondamental est d'explorer et de caractériser les régimes dans lesquels les modèles numériques et approximatifs ne parviennent pas à prédire les observables du système, malgré la connaissance de la dynamique microscopique.La thèse présente l'intérêt théorique et la motivation de l'étude de ces effets, la construction de ce dispositif et les avantages pratiques de sa mise en place en tant que mise à niveau d'une expérience similaire plus ancienne, afin d'améliorer ses performances.La thèse détaille également les premières mesures des effets collectifs lumière-matière sur ce nouveau dispositif.
Cette thèse explore expérimentalement et numériquement la dynamique temporelle de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés et ordonnés (ou semi-ordonnés) d'atomes froids dilués, dans le régime de l'optique linéaire. La recherche s'inscrit dans un contexte où la diffusion multiple de la lumière dans ces milieux permet d'explorer des comportements collectifs de désexcitation rapide ou retardée, dont la compréhension a des implications importantes en physique mésoscopique et en optique quantique, particulièrement dans le domaine de la diffusion des ondes dans des milieux résonants. La première motivation est de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la super-radiance, phénomène où la désexcitation de la lumière se produit plus rapidement que pour un atome isolé, et la sous-radiance, où la désexcitation est ralentie. Ces comportements sont liés à des processus de diffusion multiple, mais leurs liens physiques exacts restaient flous avant cette étude. Une seconde motivation, dans la continuité de la première, est d'étudier la dynamique temporelle dans des ensembles ordonnés, où les atomes sont piégés dans un réseau périodique unidimensionnel, l'ordre faisant apparaître une réflexion de Bragg. La question était de savoir quel est l'effet de l'ajout de cet ordre sur la dynamique temporelle de la lumière réfléchie et transmise. La méthodologie adoptée repose sur des simulations numériques basées sur le modèle des dipôles couplés ainsi que sur la théorie de la dispersion linéaire, comparées aux expériences menées sur des atomes de rubidium refroidis par laser. Des protocoles expérimentaux précis ont été développés pour contrôler les profils temporels de l'extinction de la sonde et observer la réponse des systèmes atomiques. Les résultats les plus significatifs incluent la découverte que la super-radiance n'est pas toujours maximale pour les extinctions les plus rapides du champ incident, mais qu'il existe un temps d'extinction optimal permettant de maximiser ce phénomène. De plus, nous avons pu lier la super-radiance et la sous-radiance grâce à notre compréhension issue du modèle de la dispersion linéaire, en soulignant le rôle de l'élargissement spectral induit par la coupure rapide du laser de sonde. Enfin, avec la première observation de la dynamique temporelle dans un miroir de Bragg, nous avons révélé un effet inattendu de flash dans la réflexion, similaires à celui observés dans des milieux désordonnés. En conclusion, ces résultats contribuent à la compréhension des processus collectifs de diffusion de la lumière dans des milieux dilués et ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la manipulation de la lumière dans des systèmes atomiques complexes et ordonnés. Ils offrent également des perspectives pour le développement de dispositifs optiques innovants basés sur ces phénomènes.
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.