Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant. / This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it.

Ce manuscrit décrit l'étude et le développement de capteurs inertiels fondés sur l'utilisation de l'interférométrie atomique. Une introduction historique du domaine est suivie d'une description du principe de fonctionnement des interféromètres, fondés sur l'utilisation de transition Raman stimulées comme séparatrices atomiques d'une part et d'atomes refroidis par laser d'autre part. L'étude porte principalement sur trois systèmes expérimentaux : deux gyromètres et un gravimètre. Leurs performances respectives sont présentées et comparées à l'état de l'art des capteurs standard et mises en perpective des différents domaines d'application envisagés. Les limites expérimentales sont identifiées comme étant liées à l'interaction entre atomes et séparatrices lasers. Le manuscrit se termine par une présentation des perspectives en terme de performances ultimes et de nouveaux concepts, notamment fondés sur l'utilisation d'atomes ultra-froids, ainsi que d'un certain nombre de missions spatiales envisagées utilisant des capteurs inertiels par interférométrie atomique.

La conception et la réalisation d'un gravimètre à atomes froids embarquable sont présentées. L'utilisation d'un tel instrument peut permettre de mesurer de façon précise et absolue la pesanteur. En faisant interagir des faisceaux lasers avec un nuage d'atomes de Rubidium refroidis à 4 µK, il a été possible d'obtenir une mesure absolue de pesanteur par interférométrie atomique, à l'aide de technologies propices à l'embarquabilité. Un banc laser compact et robuste a notamment été conçu, basé sur un concept original, l'utilisation de la technologie fibrée Telecom à 1,5 µm. Nous avons ainsi pu mesurer la pesanteur dans notre laboratoire g = 9,808 924 66 m.s-2 avec une incertitude sur la mesure de +/- 9.10-7.g et une sensibilité de 1,84.10-6.g.Hz-1/2. Ces résultats et conclusions ont permis de développer un second instrument aux performances grandement améliorées. La source laser a aussi été validée lors d'un second projet à bord d'un avion réalisant des phases d'hyper (2g) et micro-pesanteur (ICE).

Ce mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est consacrée à l'étude de la superfluidité dans un gaz de fermions ultra-froids. En utilisant un gaz dégénéré de lithium 6 au voisinage d'une résonance de Feshbach nous avons obtenu un superfluide fermionique et étudié son évolution en fonction de l'énergie de liaison des paires. Afin de caractériser la transition BEC-BCS entre un condensat de Bose-Einstein de molécules et un état BCS de paires de Cooper faiblement liées, nous avons étudié l'expansion du nuage en absence ou en présence d'interactions. Nous avons ainsi extrait la distribution en impulsion du système et sondé son caractère hydrodynamique. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'un montage expérimental de seconde génération. Par rapport à l'ancien dispositif, ses principaux atouts sont un gain d'un ordre de grandeur sur le nombre d'atomes piégés, un bon accès optique, une grande stabilité et reproductibilité ainsi qu'un taux de répétition cinq fois supérieur. La nouvelle expérience a déjà permis d'atteindre le seuil de dégénérescence quantique du lithium 7 avec des performances très satisfaisantes et donne accès à la simulation de hamiltoniens de matière condensée avec des fermions ultra-froids.

Chez les mammifères, deux protéines cytosoliques régulatrices du fer, IRP1 et IRP2 (Iron Regulatory Proteins), sont impliqué dans le métabolisme de ce métal biologiquement essentiel. Ces protéines peuvent fixer des régions spécifiques d'ARNm, appelée Iron Responsive Elements, et ainsi contrôler l'expression des protéines impliquées dans l'importation, le stockage et l'utilisation du fer. IRP1 peut perdre sa capacité de fixer l'ARN en acquièrent un agrégat [4Fe-4S] lui conférant une activité d'aconitase cytosolique catalysant la conversion du citrate en isocitrate. Le rôle physiologique exact d'IRP1 n'est pas encore complètement clair mais des indications laissent à penser qu'elle serait impliquée dans la réponse au stress oxydant.<br />L'IRP1 humaine a une masse moléculaire de 98 kDa. La forme contenant un agrégat [4Fe-4S] a été cristallisée dans des conditions anaérobiques et un jeu de donnée allant jusqu'à 1,85 Å a été collecté. Un remplacement moléculaire a été tenté afin de résoudre la structure de la protéine à partir de la structure de l'aconitase mitochondriale de bœuf qui présente 22% d'identité de séquence avec IRP1 mais sans succès. Par la suite, une seconde forme cristalline diffractant à 2,5 Å de résolution a été obtenue. Le signal anomal de l'agrégat fer-soufre ainsi que celui d'un site zinc inattendu dans l'enzyme native ont été utilisés en plus des données isomorphes d'un dérivés or pour résoudre le problème de la phase. La structure a été affinée et analysée en respectant la fonction aconitase et celle de fixation d'ARN de la protéine et ce en utilisant les résultats des différentes études de mutagenèse dirigée disponibles dans la littérature.

Ce travail de thèse décrit la mise en place d'un dispositif expérimental basé sur la digitalisation des signaux et dédié à l'étude des neutrons prompts de fission émis en coincidence avec les fragments de fission lors de la fission spontanée du 252Cf. Ce dispositif comprend une chambre à ionisation utilisée pour la détection des fragments de fission ainsi qu'un scintillateur liquide de type NE213 pour la détection des neutrons prompts. Nous montrons comment l'analyse délicate des signaux digitalisés nous a permis de déterminer à la fois les distributions en masse et en énergie cinétique des fragments de fission ainsi que le spectre en énergie et la multiplicité des neutrons de fission

La double désintégration β est un type de radioactivité rare. On en distingue deux types : la double désintégration β avec émission de neutrinos permise par le Modèle Standard, et sans émission de neutrinos, en revanche interdite. La mise en évidence de la double désintégration β sans émission de neutrino permettrait d'accéder à l'échelle de masse du neutrino et de connaître sa nature (particule de Dirac ou de Majorana). L'expérience NEMO recherche le processus de double désintégration β sans émission de neutrino à l'aide du détecteur NEMO3, qui renferme 10 kg d'isotopes radioactifs double β, dont 932 g de 82Se. L'analyse des données de l'expérience relatives au 82Se consiste en la recherche d'un signal correspondant au processus interdit. La première partie de ce travail a consisté à définir un modèle du bruit de fond de l'expérience pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Le détecteur NEMO3 permet la mesure de ses propres bruits de fond. Une étude détaillée des sources de bruit de fond de l'expérience est effectuée à partir des données enregistrées par le détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de donner une limite supérieure sur la période de la double décroissance bêta sans émission de neutrino du 82Se pour plusieurs mécanismes : l'échange de neutrinos légers de Majorana, l'interaction faible à courant droit et l'émission de Majoron. Mots-clés : Neutrino, décroissance double bêta, bruits de fond, radioactivité.

L'expérience NEMO3, en phase de prise de données depuis 2003, a pour objectif la recherche du signal de décroissance double bêta sans émission de neutrino (2β0ν) avec une sensibilité de 0,1 eV sur la masse effective du neutrino. La mise en évidence du processus 2β0ν, interdit par le Modèle Standard, impliquerait la non conservation du nombre leptonique et l'existence de neutrinos massifs de Majorana. La technique expérimentale utilisée associe un détecteur de traces à un calorimètre permettant ainsi l'identification des deux électrons et la mesure de leur énergie. Avec une sensibilité sur la période de 1023 années, quelques événements sont attendus par an. La réduction et la parfaite connaissance des bruits de fond sont donc fondamentales. Un contrôle précis des gains de l'ensemble des photomultiplicateurs du calorimètre est également nécessaire. La première partie de ce travail a consisté à l'exploitation des informations obtenues par les étalonnages relatifs en énergie réalisés quotidiennement avec une lumière laser. Cette étude a abouti à une méthode d'application des résultats des étalonnages relatifs pour l'analyse des données de NEMO3. La deuxième partie de ce travail a porté sur l'étude des différents bruits de fond des décroissances 2β2ν et 2β0ν. L'analyse des données enregistrées avec une source de neutrons dans différentes configurations de blindages du détecteur NEMO3 a validé un programme de génération des photons produits par interaction des neutrons rapides. Enfin, ce travail a permis de déterminer la période de décroissance 2β2ν du 100Mo et de donner une limite sur le processus 2β0ν du 100Mo.

Au voisinage d'une résonance de Feshbach, les interactions entre atomes froids sont fortes car la longueur de diffusion diverge. De plus les interactions ont une portée faible, ce qui permet généralement de les modéliser par un pseudopotentiel de portée nulle. La limite d'une longueur de diffusion infinie et d'une portée nulle est appelée limite unitaire.<br /><br />Nous résolvons le problème à 3 corps à la limite unitaire dans un piège harmonique isotrope. Pour des particules bosoniques, nous obtenons deux types d'états propres: d'une part les états universels, qui ne dépendent que de la fréquence d'oscillation d'une particule dans le piège, de la masse des particules et de la constante de Planck; d'autre part les états efimoviens, qui dépendent aussi d'un paramètre à trois corps, de façon analogue aux états liés découverts par Efimov en l'absence de potentiel extérieur. Dans une expérience, nous prédisons que les états universels ont une longue durée de vie, ce qui est inhabituel pour des atomes bosoniques. Cette durée de vie est limitée par le couplage des états universels aux états efimoviens induit par la portée non nulle des interactions.<br /><br />Pour le problème à N corps, nous montrons que l'hyperrayon, un degré de liberté collectif décrivant la taille globale du gaz, est séparable. Nous déterminons ainsi la dépendance en l'hyperrayon des fonctions d'ondes à N corps. Nous déduisons une relation sur les fluctuations thermiques de la taille du gaz. Nos résultats se généralisent à certaines résonances à N corps.<br /><br />Dans un piège tournant à une vitesse suffisante, nous montrons dans le cadre de l'hydrodynamique superfluide que le gaz unitaire devient dynamiquement instable.<br /><br />Pour un piège et une dimension d'espace quelconques, nous obtenons de nouveaux théorèmes du viriel pour différents types d'interactions entre atomes. Dans le cas de la transition BEC-BCS dans un piège harmonique, nous déduisons que l'énergie potentielle de piégeage a un point d'inflexion à la limite unitaire si la longueur de diffusion est changée adiabatiquement.

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.