Dans cette thèse, nous présentons une expérience produisant des condensats de Bose-Einstein de sodium. L'utilisation d'une puce à atomes, qui donne accès à des pièges magnétiques très allongés, permet de produire des gaz quantiques unidimensionnels dans le régime de quasi-condensat. Nous avons optimisé le refroidissement par évaporation et le transfert des atomes vers le piège magnétique de la puce à atomes. Nous nous sommes ensuite intéressés aux résonances de Feshbach micro-onde, dans le but de contrôler les interactions entre atomes, ce qui nécessite de fortes puissances micro-onde. Pour cela, nous utilisons un guide d'ondes coplanaire intégré à la puce à atomes. Des mesures d'oscillations de Rabi entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental du sodium f=1 et f=2 montrent que nous pouvons atteindre des amplitudes magnétiques de plusieurs gauss pour le champ oscillant. Nous avons effectué la spectroscopie micro-onde des états moléculaires de la branche [f1=1, f2=2] les plus proches de la limite de dissociation. Les pertes d'atomes rapides observées au voisinage des résonances moléculaires semblent limiter leur intérêt comme outil de contrôle des interactions. Dans une deuxième partie nous avons étudié numériquement la dynamique hors équilibre d'un gaz de Bose unidimensionnel dans une boîte, en résolvant l'équation de Gross-Pitaevskii 1D. Le système est conduit hors d'équilibre à l'aide d'un potentiel extérieur oscillant. Nous nous sommes notamment intéressés aux profils de densité, aux énergies et à la distribution en impulsion. Les méthodes de transformée de diffusion inverse, avec le calcul du spectre de Lax, permettent d'étudier les solitons du système.
Dans cette thèse, nous présentons une expérience produisant des condensats de Bose-Einstein de sodium. L'utilisation d'une puce à atomes, qui donne accès à des pièges magnétiques très allongés, permet de produire des gaz quantiques unidimensionnels dans le régime de quasi-condensat. Nous avons optimisé le refroidissement par évaporation et le transfert des atomes vers le piège magnétique de la puce à atomes. Nous nous sommes ensuite intéressés aux résonances de Feshbach micro-onde, dans le but de contrôler les interactions entre atomes, ce qui nécessite de fortes puissances micro-onde. Pour cela, nous utilisons un guide d'ondes coplanaire intégré à la puce à atomes. Des mesures d'oscillations de Rabi entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental du sodium f=1 et f=2 montrent que nous pouvons atteindre des amplitudes magnétiques de plusieurs gauss pour le champ oscillant. Nous avons effectué la spectroscopie micro-onde des états moléculaires de la branche [f1=1, f2=2] les plus proches de la limite de dissociation. Les pertes d'atomes rapides observées au voisinage des résonances moléculaires semblent limiter leur intérêt comme outil de contrôle des interactions. Dans une deuxième partie nous avons étudié numériquement la dynamique hors équilibre d'un gaz de Bose unidimensionnel dans une boîte, en résolvant l'équation de Gross-Pitaevskii 1D. Le système est conduit hors d'équilibre à l'aide d'un potentiel extérieur oscillant. Nous nous sommes notamment intéressés aux profils de densité, aux énergies et à la distribution en impulsion. Les méthodes de transformée de diffusion inverse, avec le calcul du spectre de Lax, permettent d'étudier les solitons du système.
Dans cette thèse, nous présentons une expérience produisant des condensats de Bose-Einstein de sodium. L'utilisation d'une puce à atomes, qui donne accès à des pièges magnétiques très allongés, permet de produire des gaz quantiques unidimensionnels dans le régime de quasi-condensat. Nous avons optimisé le refroidissement par évaporation et le transfert des atomes vers le piège magnétique de la puce à atomes. Nous nous sommes ensuite intéressés aux résonances de Feshbach micro-onde, dans le but de contrôler les interactions entre atomes, ce qui nécessite de fortes puissances micro-onde. Pour cela, nous utilisons un guide d'ondes coplanaire intégré à la puce à atomes. Des mesures d'oscillations de Rabi entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental du sodium f=1 et f=2 montrent que nous pouvons atteindre des amplitudes magnétiques de plusieurs gauss pour le champ oscillant. Nous avons effectué la spectroscopie micro-onde des états moléculaires de la branche [f1=1, f2=2] les plus proches de la limite de dissociation. Les pertes d'atomes rapides observées au voisinage des résonances moléculaires semblent limiter leur intérêt comme outil de contrôle des interactions. Dans une deuxième partie nous avons étudié numériquement la dynamique hors équilibre d'un gaz de Bose unidimensionnel dans une boîte, en résolvant l'équation de Gross-Pitaevskii 1D. Le système est conduit hors d'équilibre à l'aide d'un potentiel extérieur oscillant. Nous nous sommes notamment intéressés aux profils de densité, aux énergies et à la distribution en impulsion. Les méthodes de transformée de diffusion inverse, avec le calcul du spectre de Lax, permettent d'étudier les solitons du système.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des gaz quantiques unidimensionnels hors équilibre, réalisée au sein du laboratoire LCF, groupe Gaz quantiques, équipe Puce. Nous utilisons des gaz ultra-froids d'atomes de rubidium 87 piégés sur une puce atomique, permettant de réaliser un confinement transversal fort et un confinement longitudinal ajustable à l'aide de micro-fils. Ce dispositif permet d'explorer des situations exotiques, telles que l'analogue quantique d'un pendule de Newton.Dans ce régime unidimensionnel, les interactions de contact entre atomes sont décrites par le modèle intégrable de Lieb-Liniger, résoluble par la méthode de Bethe Ansatz. L'état d'un tel système est caractérisé par une distribution de rapidités, associée aux vitesses des quasi-particules. La présence d'une infinité de charges conservées fait de ces systèmes intégrables des cas particuliers où la thermalisation standard de type Gibbs ne s'applique pas. À la place, leur relaxation est décrite par l'ensemble généralisé de Gibbs (GGE). Pour tester expérimentalement cette description, la mesure d'observables moyennes ne suffit pas : il est nécessaire d'accéder également aux fluctuations. J'ai initié un travail théorique sur le calcul de telles fluctuations, sans toutefois réaliser de mesure expérimentale correspondante au cours de cette thèse.Un autre cadre théorique pertinent est l'hydrodynamique généralisée (GHD), qui complète le GGE en décrivant la dynamique hors équilibre des gaz intégrables à grande échelle. Dans ce contexte, nous avons étudié des dynamiques de type « problème de Riemann », où l'on prépare initialement un système avec des atomes d'un côté et du vide de l'autre. Pour approcher expérimentalement cette configuration, nous avons optimisé la préparation de gaz longs et homogènes, avant de sélectionner localement une région à l'aide d'un dispositif de micro-miroirs (DMD), permettant de sculpter le profil lumineux appliqué aux atomes et de sonder localement la distribution de rapidité. Ce dispositif ouvre également la voie à la création de situations hors équilibre contrôlées.Enfin, afin d'élargir les possibilités de préparation de potentiels longitudinaux, nous avons exploré des alternatives au confinement magnétique sur puce. En particulier, j'ai initié la mise en place d'un piège dipolaire optique, permettant d'obtenir une flexibilité accrue dans l'ingénierie des géométries de piège, allant au-delà des configurations harmoniques, double puits ou quartiques déjà accessibles sur puce.En résumé, cette thèse combine le développement expérimental et théorique pour sonder la dynamique hors équilibre des gaz de bosons unidimensionnels. Les avancées portent à la fois sur la préparation et la manipulation de systèmes quasi-intégrables, sur la mise en place d'outils de mesure locaux originaux, et sur le lien avec les cadres théoriques modernes de relaxation et de dynamique des systèmes intégrables (GGE et GHD).
Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec comme leitmotiv la condensation de Bose-Einstein à deux dimensions. Pour confiner très fortement les atomes dans une direction, nous avons utilisé deux approches différentes. Dans un premier temps, nous avons projeté d'utiliser deux champs évanescents, ce qui permet de réaliser des gradients de champ très importants. Avec cet objectif, nous avons produit un condensat et mis au point une méthode de transfert vers le piège à ondes évanescentes. La production d'un condensat à 3 mm seulement d'une surface a constitué une première. Nous avons réalisé une série d'expériences impliquant une seule onde évanescente, qui ont montré que la surface du diélectrique présentait une rugosité trop importante pour confiner efficacement les atomes en dimension 2. Cette étude nous a permis en revanche de caractériser très précisément l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface. Nos expériences ont confirmé quantitativement la théorie de Carsten Henkel et al., ce qui est un point important pour les expériences, de plus en plus nombreuses, menées à proximité directe d'une surface. Nous avons également montré que la diffraction était toujours clairement observable malgré la forte diffusion, lors du rebond d'un condensat sur un miroir modulé. Dans un second temps, sur la proposition d'Oliver Zobay et Barry Garraway, nous avons mis au point une nouvelle approche pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut être largement contrôlée, y compris dynamiquement. Ces potentiels RF permettent de réaliser une « bulle » à atomes, un double puits, un anneau... Nous nous sommes intéressés principalement à produire un piège quasi bidimensionnel dans l'épaisseur de la bulle. Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent être refroidis par évaporation in situ. Nos premières expériences impliquant des champs radiofréquence ont eu un impact important dans la communauté des atomes froids, en particulier pour les expériences sur puce. A la suite de nos travaux, de nombreuses équipes ont utilisé cette technique avec succès.
Cette thèse traite d’une expérience visant à confiner des atomes de sodium dans un piège magnétique très anisotrope créé par une puce à atomes. La puce contient un guide micro-onde : nous prévoyons en effet d’utiliser une résonance de Feshbach dans le domaine microonde, encore jamais observée, pour contrôler la force des interactions entre atomes et explorer les régions du diagramme de phase d’un gaz unidimensionnel (1D). Un gaz 1D présente des corrélations dans ses fluctuations de densité. Pour les observer, il faut accumuler des données de nombreuses réalisations du gaz, ainsi l’expérience est conçue pour atteindre des taux de répétition élevés. Pour cela, la zone de préparation initiale du nuage est placée à distance de l’enceinte à vide contenant la puce atomique et le nuage froid est transporté via une chaîne de bobines de piégeage magnétique. Nous avons optimisé le transport dans ces bobines afin de pouvoir transporter un nuage sur 30 cm en 600 ms tout en conservant plus de 80% des atomes. Les données sur le gaz sont obtenues par imagerie. Nous présentons trois objectifs pour imager le nuage dans trois conditions différentes : avant, pendant et après la phase de piégeage par la puce. Une deuxième partie présente des travaux théoriques sur les “compteurs de parité” pour les systèmes dynamiques, permettant d’établir le caractère ergodique du système. Ce travail s’inspire d’un système de billards triangulaires, qui peuvent coder certains systèmes 1D. Nous étudions le comportement d’un compteur pour un système plus simple, les rotations irrationnelles, et trouvons les propriétés de croissance que l’on peut attendre pour tous les compteurs de parité.
Cette thèse traite d’une expérience visant à confiner des atomes de sodium dans un piège magnétique très anisotrope créé par une puce à atomes. La puce contient un guide micro-onde : nous prévoyons en effet d’utiliser une résonance de Feshbach dans le domaine microonde, encore jamais observée, pour contrôler la force des interactions entre atomes et explorer les régions du diagramme de phase d’un gaz unidimensionnel (1D). Un gaz 1D présente des corrélations dans ses fluctuations de densité. Pour les observer, il faut accumuler des données de nombreuses réalisations du gaz, ainsi l’expérience est conçue pour atteindre des taux de répétition élevés. Pour cela, la zone de préparation initiale du nuage est placée à distance de l’enceinte à vide contenant la puce atomique et le nuage froid est transporté via une chaîne de bobines de piégeage magnétique. Nous avons optimisé le transport dans ces bobines afin de pouvoir transporter un nuage sur 30 cm en 600 ms tout en conservant plus de 80% des atomes. Les données sur le gaz sont obtenues par imagerie. Nous présentons trois objectifs pour imager le nuage dans trois conditions différentes : avant, pendant et après la phase de piégeage par la puce. Une deuxième partie présente des travaux théoriques sur les “compteurs de parité” pour les systèmes dynamiques, permettant d’établir le caractère ergodique du système. Ce travail s’inspire d’un système de billards triangulaires, qui peuvent coder certains systèmes 1D. Nous étudions le comportement d’un compteur pour un système plus simple, les rotations irrationnelles, et trouvons les propriétés de croissance que l’on peut attendre pour tous les compteurs de parité.
Dynamique hors d'équilibre de gaz de Bose unidimensionnel piégé Une étude des modes d'oscillations d'une gaz de Bose unidimensionnel dans la piège est présentée. Les oscillations sont initiées par une changement instantanée de la fréquence de piégeage. Dans la thèse il est considéré d'un gaz de Bose quantique 1D dans un piège parabolique à la température nulle, et il est expliqué, analytiquement et numériquement, comment la fréquence d'oscillation dépend du nombre de particules, leur interaction répulsive, et les paramètres de piège. Nous sommes concentres sur la description spectrale, en utilisant les règles de somme. La fréquence d'oscillation est identifiée comme la différence d'énergie entre l'état fondamental et un état excité donne. L'existence de trois régimes est démontrée, à savoir le régime de Tonks, le régime de Thomas-Fermi et le régime de Gauss. La transition entre les régime de Tonks et de Thomas-Fermi est décrite dans l'approximation de la densité locale (LDA). Pour la transition entre le régime de Thomas-Fermi et le régime de Gauss l'approximation de Hartree est utilisée. Dans les deux cas, nous avons calculé les paramètres pour quelles les transitions se produisent. Les simulations extensif de Monte Carlo de diffusion pour un gaz contenant jusqu'à N = 25 particules ont été effectuées. Lorsque le nombre de particules augmente, les prédictions des simulations convergent vers celles d'Hartree et LDA dans ces régimes. Cela rend les résultats des modes d'oscillation applicables pour des valeurs arbitraires du nombre de particule et de l'interaction. L'analyse est complétée par les résultats perturbatifs dans les cas limites avec N finis. La théorie prédit le comportement réentrant de la fréquence de mode d'oscillation lors de la transition du régime de Tonks au régime de Gauss et explique bien les données de l'expérience récente du groupe d'Innsbruck.