Nous avons mis au point une méthode de mesure du déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids, c'est l'effet systématique qui limite le plus l'exactitude des fontaines à 133Cs (~1E-15 en valeur relative), on peut le mesurer au niveau de 0.5%. Ceci ouvre des perspectives d'améliorations des performances des fontaines en terme d'exactitude jusqu'à 1E-16. La fontaine à aussi obtenu une stabilité de l'ordre de 1.6E-14 à 1s. Nous avons découvert, à champ magnétique très faible (5 +/- 1 mG), des résonances de Feshbach. Nous avons aussi effectué une nouvelle mesure absolue de la transition hyperfine du 87Rb, qui est la plus précise jamais réalisée et sert maintenant de définition pour l'étalon secondaire de fréquence 87Rb. En comparant cette valeur avec celles mesurées les années précédentes, nous avons pu tester la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 1E-15/ an. Nous avons comparé localement notre fontaine avec les autres fontaines du laboratoire, avec dans le meilleur des cas une stabilité combinée de 5E-14 à 1s. La différence de fréquence des deux horloges se moyenne comme du bruit blanc de fréquence jusqu'à 3E-16. Le bilan d'exactitude de la fontaine double à été évalué à ~7E-16 pour la partie césium et ~8E-16 pour la partie rubidium. Nous avons contribué à la réalisation de l'échelle de Temps Atomique International, par des séries de calibrations de masers à hydrogène. Une comparaison de fontaines atomiques par liaisons satellitaires a été expérimenté entre notre laboratoire et nos homologues Allemands. Cette mesure a permis de déterminer le bon accord qu'il y a entre les deux horloges.

Ce document décrit principalement mes travaux de recherche concernant la spectroscopie <br />atomique de grande précision dans le cadre de la détermination de <br />constantes fondamentales. <br />Dans un chapitre consacré à la détermination de la constante de <br />Rydberg et du déplacement de Lamb du niveau 1S de l'atome d'hydrogène, je <br />fais le point sur les mesures de fréquences optiques de grande précision <br />réalisées sur cet atome. <br />D'autre part, je présente l'expérience qui a débuté dans notre équipe en 1999, <br />dont l' objectif est la détermination de la constante de structure fine <br />avec une incertitude relative d'environ 10-9. Le principe de cette <br />expérience consiste à exploiter la grande efficacité des oscillations de <br />Bloch des atomes froids dans un potentiel lumineux pour mesurer <br />précisément le rapport h/m entre la constante de Planck et la masse de l'atome.<br />Actuellement, nous atteignons une incertitude relative de 6,7x10-9 sur alpha. <br />Il s'agit de la détermination la plus précise à ce jour, après celle <br />déduite de la mesure de l'anomalie du rapport gyromagnétique de <br />l'électron. Je mentionne également les évolutions à court et moyen termes de <br />cette expérience et je conclue sur l'impact de ce travail dans le <br />contexte d'une éventuelle redéfinition du kilogramme.

L'interaction matière-lumière dans des milieux opaques donne lieu à des phénomènes collectifs nécessitant le couplage d'équations atomiques et d'une équation de transport. Le piégeage de la lumière dans un système atomique multi-niveaux sera étudié expérimentalement dans une vapeur froide et théoriquement avec le couplage des paramètres atomiques à une équation de diffusion. Ensuite, du gain sera ajouté dans ce nuage d'atomes froids multi niveaux. Nous montrerons théoriquement qu'un seuil laser existe dans ce type de système combinant gain et diffusion et qu'expérimentalement le gain Raman associé à de la diffusion sur une raie résonante a permis l'observation d'un laser aléatoire à atomes froids. La validité de l'équation de diffusion nécessite une non redistribution en fréquence et donc des atomes suffisamment froids pour s'affranchir de l'effet Doppler. Finalement nous étudierons le transport dans une vapeur atomique chaude (20°C-180°C) opaque. L'effet Doppler invalide la loi de Beer-Lambert pour la longueur des pas des photons entre des diffusions qui suivent alors une statistique de Lévy.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques.

Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des faisceaux atomiques ainsi produits ou << lasers à atomes >>. En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.

Actuellement, l'évaporation par radiofréquence en piège magnétique reste un passage obligé pour l'obtention de gaz atomiques dégénérés. Afin de piéger magnétiquement et de refroidir un gaz d'atomes de Rubidium 87, nous avons conçu un électroaimant basé sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, capable de générer de forts gradients pour une puissance électrique modeste. La première version du dispositif se caractérise par une forte valeur du champ magnétique au centre du piège, de l'ordre de 100 Gauss, pour laquelle l'effet Zeeman non linéaire lève la dégénérescence des transitions radiofréquence entre les sous-niveaux magnétiques. Nous avons étudié dans un premier temps le refroidissement évaporatif à une seule radiofréquence dans ce régime. L'évaporation n'est pas perturbée dans le niveau hyperfin F = 1, et nous avons observé la condensation de Bose-Einstein. Par contre, dans le niveau F = 2, le processus d'évaporation est inhibé, et il est impossible de condenser le gaz pour un champ magnétique supérieur à environ 15 Gauss. Dans un deuxième temps, nous avons contourné cette difficulté, soit en évaporant les atomes avec trois radiofréquences distinctes, soit en faisant du refroidissement sympathique, c'est-à-dire en maintenant les atomes dans F = 2 en contact thermique avec un nuage d'atomes dans F = 1, lui-même refroidi par évaporation. Ces deux techniques permettent d'atteindre le seuil de condensation dans F = 2 à relativement fort champ. Enfin, nous avons conçu et réalisé une deuxième version de l'électroaimant permettant de compenser le champ magnétique au centre du piège, tout en conservant l'aptitude à générer de forts gradients. Cette nouvelle génération devrait apporter une solution définitive à l'évaporation des atomes dans F = 2, et déboucher sur la réalisation d'expériences nécessitant un fort confinement ou un potentiel de piégeage très anisotrope.

Lorsque l'on place des atomes suffisamment proches les uns des autres, l'interaction dipôle-dipôle résonante entre les atomes modifie leurs propriétés. Les atomes se comportent alors de manière collective. Ces effets collectifs se produisent lorsque les distances interparticulaires sont de l'ordre de l/(2Pi), où l est la longueur d'onde de la transition atomique. La densité atomique est alors de l'ordre de 10^14 at/cm^3. Afin de créer des échantillons d'atomes froids présentant des densités aussi élevées, nous avons mis en place plusieurs méthodes de chargement de nos pinces optiques de taille micrométrique. L'une d'elles utilise un processus d'évaporation forcée qui amène les atomes proches de la dégénérescence quantique. En utilisant des nuages denses contenant quelques centaines d'atomes à des densités spatiales élevées, et en étudiant les modifications de la diffusion de la lumière qui en résultent, nous avons pu mettre en évidence des effets collectifs entre les atomes. Nous avons par ailleurs mesuré le retard de Wigner associé à la diffusion élastique de la lumière par un atome unique de rubidium. Nous avons mesuré un retard proche de la valeur théorique, c'est-à-dire deux fois la durée de vie de la transition atomique (52 ns).

Cette thèse présente l'étude et la réalisation expérimentale de gaz de bosons dégénérés quasi-unidimensionnels. Pour atteindre ce type de régime, nous utilisons une puce atomique, micro-fils d'or déposés sur un substrat de silicium qui permet de créer des pièges magnétiques très anisotropes dans lesquels nous avons mesuré les propriétés statistiques de gaz de bosons ultra-froids (Rubidium 87). Pour un gaz classique, où les particules sont statistiquement indépendantes, les fluctuations de densité sont données par le bruit de grenaille atomique. A plus basse température, la nature quantique des particules (bosons indiscernables) doit être prise en compte et des fluctuations de densité supplémentaires apparaissent dues au phénomène de groupement de bosons. A faibles densités atomiques, nous avons observé ces deux types de comportements en bon accord avec le comportement du gaz idéal. A plus fortes densités, à cause des interactions répulsives entre atomes qui sont coûteuses en énergie, nous avons observé une réduction des fluctuations de densité par rapport au gaz idéal. Cette réduction est caractéristique de la transition vers un quasi-condensat. Pour exploiter pleinement le potentiel des puces à atomes, les atomes doivent être situés aux abords des micro-structures qui les piègent. Cependant, cette proximité rend ces dispositifs sensibles aux imperfections de microfabrication en introduisant une rugosité non contrôlée sur le potentiel de piégeage. Pour contourner ce problème, nous avons mis au point une méthode pour s'affranchir de ce problème en modulant rapidement le courant des micro-fils. Les atomes sont alors soumis à un potentiel moyen effectif exempt de rugosité.

Le condensat de Bose-Einstein, équivalent atomique du laser en optique, est habituellement considéré comme un objet complètement cohérent. Mais ceci n'est vérifié que dans le cas de systèmes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allongés, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une réduction de la longueur de cohérence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce mémoire, nous présentons deux études expérimentales portant sur la cohérence de condensats très allongés. La première étude a été réalisée sur des condensats à l'équilibre. La mesure de la longueur de cohérence a été effectuée par l'intermédiaire de la mesure de la fonction de corrélation à l'aide d'une méthode interférométrique. Nos résultats montrent la transition entre un condensat cohérent et un quasi-condensat, avec une longueur de cohérence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observé le passage d'une forme gaussienne à une forme exponentielle pour la fonction de corrélation. La deuxième étude a porté sur la formation du condensat avec plus particulièrement l'étude de la cinétique de formation de la cohérence en phase. Nos résultats montrent tout d'abord une montée de la fraction condensée qualitativement identique à celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesuré la longueur de cohérence au cours de cette formation à l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos résultats montrent un établissement de la cohérence rapide comparé au temps de mise à l'équilibre de la fraction condensée.

Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.