Les travaux presentes dans ce memoire ont pour but de decrire la dynamique d'un nuage d'atomes froids dans un piege magneto-optique. Nous nous sommes plus particulierement interesses aux instabilites spontanees que developpe le systeme pour certains parametres. Dans ce cas, par une approche phenomenologique, nous avons pu mettre en evidence deux composantes dynamiques ; lente et rapide, respectivement liees a la variation du nombre d'atomes et au mouvement du centre de masse du nuage. L'evolution de la dynamique lente (superieure a 0,2 s) apparait toujours erratique. L'evolution de la composante rapide du systeme (superieure a 10 ms) montre, quant a elle, de nombreux regimes, dont des regimes periodiques et erratiques, dependant des parametres. L'evolution rapide du systeme est aussi fortement affectee par son evolution lente. Nous n'avons pu mettre en evidence une origine deterministe aux instabilites associees aux composantes dynamiques du systeme. Ce resultat ne nous a en outre pas permis de conclure sur les mecanismes physiques a l'origine des instabilites du nuage.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
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.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
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.
Nous avons observé une réduction des fluctuations quantiques d'un faisceau lumineux interagissant avec un milieu non linéaire constitué d'atomes refroidis par laser. Le nuage atomique, produit par un piège magnéto-optique, est placé dans une cavité optique où il interagit avec le faisceau sonde. Quand le piège est coupé, les atomes quittent la zone d'interaction en suivant un mouvement balistique. Cet effet est utilisé pour balayer la cavité sur la résonance. Des mesures du bruit quantique peuvent être effectuées sur ce système bistable pendant un temps de l'ordre de 20-30ms. Une réduction du bruit de 40 ± 10% pour une des quadratures a été mesurée dans ces conditions. Sur le plan théorique, nous avons développé un traitement de la variation du nombre moyen d'atomes dans le faisceau sonde ainsi que des fluctuations de cette variable. De plus, nous avons effectué un traitement complet des fluctuations du faisceau sonde en tenant compte de sa structure spatiale. Une synthèse de ces développements a été utilisée pour modéliser les spectres du bruit expérimentaux. Nous avons trouvé un accord satisfaisant entre les spectres théoriques et les observations expérimentales. Une réduction du bruit a été aussi observée en présence du piège magnéto-optique avec des atomes très faiblement piégés. La meilleure réduction du bruit mesurée dans de telles conditions est de 20 ± 10%.
Dans cette thèse, nous décrivons les premières étapes de la construction d’une expérience de condensation d’atomes de sodium. À terme, le dispositif intégrera une puce à atomes qui permettra d’étudier la dynamique hors équilibre de gaz quantiques de dimensionnalité réduite, ainsi que leur dynamique de relaxation.Le montage expérimental est constitué d’un système laser stabilisé en fréquence sur une raie de l’iode, ainsi que d’une enceinte à ultra-vide. Cette dernière comporte un four produisant un jet atomique effusif qui est décéléré dans un ralentisseur Zeeman à aimants permanents. Nous obtenons alors un flux de 2 x 10^8 atomes/s, ce qui nous permet de charger près de 10^9 atomes dans un piège magnéto-optique.Durant la caractérisation du ralentisseur Zeeman, nous avons mis en évidence un mécanisme de redistribution des populations atomiques vers l’état |F = 1> en amont du ralentisseur, induit par l’interaction avec le faisceau Zeeman. Après avoir confirmé ces observations par une résolution numérique des équations de Bloch optiques, nous avons mis en place un faisceau laser avec deux composantes de fréquence permettant de préparer initialement les atomes dans le sous-niveau |F = 2, mF = −2> pour les préserver de cet effet.Enfin, nous avons conçu un dispositif de transport magnétique permettant d’acheminer les atomes depuis l’enceinte du piège magnéto-optique vers l’enceinte du condensat. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de déterminer une séquence temporelle pour le déplacement du nuage performante, autorisant un transport de 65 cm en 1s.