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.
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.
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.
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.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de 4×1010 atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de 7×109 atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.