Cette thèse traite de la manipulation d'atomes de rubidium 87 piégés dans un piège optique dipolaire microscopique. Les expériences sont réalisées dans divers régimes de chargement du piège allant d'un atome unique à quelques milliers d'atomes en moyenne.Le régime à un seul atome permet de calibrer le dispositif expérimental. Nous utilisons l'atome unique comme bit quantique dont nous pouvons préparer et lire l'état avec une efficacité de 99.97% et 98.6%, respectivement. Lorsque plusieurs atomes sont chargés dans le piège microscopique, nous observons une distribution sub-Poissonienne du nombre d'atomes, liée aux collisions assistées par la présence de lumière quasi résonante. Une étude de ces collisions dans notre cas particulier (piège microscopique) révèle des taux de pertes extrêmement élevés, proches de la limite théorique de Langevin. Enfin, nous montrons que le chargement du piège microscopique avec plusieurs atomes est plus efficace lorsque nous superposons sur ce piège un deuxième piège, macroscopique, qui joue le rôle de réservoir d'atomes. Ce réservoir permet de charger le micro-piège à partir du macro-piège en l'absence de lumière quasi résonante et donc d'éviter les collisions assistées par la lumière.Le chargement du micro-piège à partir du macro-piège conduit à des conditions initiales optimales pour l'évaporation forcée dans la perspective d'atteindre la condensation de Bose-Einstein avec seulement une dizaine d'atomes. Après évaporation du gaz nous atteignons des densités dans l'espace des phases proches du régime de dégénérescence. / This thesis focuses on the manipulation of rubidium 87 atoms in a microscopic optical dipole trap. The experiments are performed in various regimes where the number of atoms in the microscopic trap ranges from exactly one atom to several thousands on average.The single atom regime allows us to calibrate the experimental setup. We use it a quantum bit, which state we can prepare and read out with efficiencies of 99.97% and 98.6%, respectively. When several atoms are loaded in the microscopic trap we observe a sub-Poissonian distribution of the number of atoms due to light-assisted collisions in the presence of near-resonant light. A study of these collisions in our particular case (microscopic trap) reveals extremely high loss rates approaching the theoretical Langevin limit. Finally, we demonstrate that the loading of the microscopic trap is more efficient when we superimpose on this trap a second macroscopic trap, which we use as an atom reservoir. This reservoir allows us to load the micro trap from the macro trap in the absence of any near-resonant light, thus avoiding light-assisted collisions.The loading of the micro trap from the macro trap leads to optimal initial conditions for forced evaporation towards Bose-Einstein condensation with about ten atoms only. After evaporation we reach phase-space densities approaching the degenerate regime.

Nous présentons l'étude par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du composé NiCl2-4SC(NH2)2, dit DTN, constitué de chaînes de spins 1 faiblement couplées suivant les directions transverses aux chaînes. A basse température et dans un champ magnétique compris entre les deux valeurs critiques Hc1 et Hc2, ce système s'ordonne dans un état de type Condensat de Bose-Einstein (CBE). Dans cette phase, nous décrivons d'une part la détermination expérimentale du paramètre d'ordre (aimantation transverse), dont l'amplitude est bien décrite par la théorie mais dont la phase (orientation) semble fixée par un terme d'anisotropie. D'autre part nous avons étudié les fluctuations des spins électroniques à basse énergie, par la mesure du taux de relaxation RMN 1/T1, et montré que celui-ci obéit à la loi de puissance 1/T1 propto T^5. Ce comportement peut être associé au processus de 2ème ordre lié à des excitations ayant une dispersion linéaire, tels que les quasiparticules de Bogoliubov, mais sa nature n'est pas encore bien comprise. En dehors de la phase CBE, nous décrivons l'étude des fluctuations de spin dans le régime critique quantique (H ~ Hc2), dans lequel nous établissons une loi d'échelle sur 1/T1, identique à celle que l'on a observé dans un autre composé de description équivalente (échelle de spins BPCB), prouvant ainsi l'universalité de ce régime [S. Mukhopadhyay et al., Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012)]. Nous avons aussi étudié les effets du désordre induit par la substitution Br-Cl dans le composé Ni(Cl1−xBrx)2-4SC(NH2)2, pour lequel des mesures par des techniques macroscopiques ont suggéré l'existence d'une phase "verre de Bose" [R. Yu et al., Nature 489, 379 (2012)]. Cette phase est caractérisée, pour différentes concentrations du dopage x = 4%, 9%, 13%, par un pic de relaxation RMN 1/T1 au champ Hp = 13.5 T, marquant un regain des fluctuations longitudinales et présentant une forte distribution des valeurs de 1/T1 - probablement due à l'aspect vitreux du système. L'indépendance du Hp en fonction de x démontre que la physique y est dominée par les effets locaux liés aux dopants. / We present a Nuclear Magnetic Resonance (NMR) study of the NiCl2-4SC(NH2)2 compound, called DTN, consisting of spin-1 chains that are weakly coupled along the transverse directions. At low temperatures and for magnetic field values between the two critical fields Hc1 and Hc2, this system enters an ordered phase of the Bose-Einstein Condensate (BEC) type. Within this phase, we first describe the experimental determination of the order parameter (transverse magnetization), the amplitude of which is found to be well described by theory while its phase (orientation) seems to be fixed by an anisotropy term. Second, by NMR relaxation rate 1/T1 we have studied the low-energy fluctuations of the electronic spins and found that they obey the power law 1/T1 ~ T 5. Such a behaviour points to a 2nd order process involving linearly dispersing excitations, such as Bogoliubov quasiparticles, but its nature is not yet well understood. Outside the BEC phase, we report a study of the spin fluctuations in the quantum critical regime (H ~ Hc2), demonstrating a scaling law on 1/T1 similar to the one that has already been observed in another equivalent compound, BPCB spin-ladder, thus proving the universality of this regime [S. Mukhopadhyay et al., Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012)]. We have also studied the effect of disorder induced by the Br-Cl substitution in the compound Ni(Cl1-xBrx)2-4SC(NH2)2 (doped DTN), for which measurements using macroscopic techniques have suggested the existence of a "Bose glass" phase [R. Yu et al., Nature 489, 379 (2012)]. This phase is characterized, for all studied doping concentrations x = 4%, 9%, 13%, by a peak in the NMR relaxation rate 1/T1 at the field value Hp ~ 13.5 T, evidencing an upsurge of the longitudinal <SzSz> spin fluctuations, and presenting strong inhomogeneity of the 1/T1 values – probably reflecting the glassy character of the system. The observed doping-independence of Hp demonstrates that the corresponding physics is dominated by local effects due to the dopants.

Les gaz d'atomes ultrafroids offrent des possibilités sans précédent pour la réalisation et la manipulation des systèmes quantiques. Le contrôle exercé sur les interactions entre particules permet d'atteindre le régime de fortes interactions, pour des espèces d'atomes à la fois fermioniques et bosoniques. Dans la limite unitaire, où la force d'interaction est à son maximum, des propriétés universelles émergent. Pour les atomes bosoniques, celles-ci comprennent l'effet Efimov, l'existance surprenante d'une séquence infinie d'états liés à trois corps. Dans cette thèse, nous avons étudiés un système de bosons unitaires. Partant des cas à deux et à trois corps, nous avons montrés que le modèle choisi capturait correctement les caractéristiques universelles de l'effet Efimov. Pour le modèle à N-corps, nous avons développé un algorithme de Monte Carlo quantique capable de réaliser les différentes phases thermodynamiques du système : gaz normal à haute-température, condensat de Bose-Einstein, et liquide d'Efimov. Un unique composant de notre modèle resterait pertinent à la limite de température infinie, à savoir la répulsion corps dur à trois corps, qui constitue une généralisation du potentiel classique entre sphères dures. Pour ce modèle, nous avons proposé une solution au problème d'empilement compact en deux et trois dimensions, fondée sur une Ansatz analytique et sur la technique de recuit simulé. En étendant ces résultats à une situation de pression finie, nous avons montré que le système présente une transition de fusion discontinue, que nous avons identifié à travers la méthode de Monte Carlo. / Ultracold atomic gases offer unprecedented possibilities to realize and manipulate quantum systems. The control on interparticle interactions allows to reach the strongly-interacting regime, with both fermionic and bosonic atomic species. In the unitary limit, where the interaction strength is at its maximum, universal properties emerge. For bosonic atoms, these include the Efimov effect, the surprising existence of an infinite sequence of three-body bound states. In this thesis, we have studied a system of unitary bosons. Starting from the two- and three-body cases, we have shown that the chosen model correctly captures the universal features of the Efimov effect. For the corresponding many-body problem, we have developed a quantum Monte Carlo algorithm capable of realizing the different thermodynamic phases in which the system may exist: The high-temperature normal gas, Bose-Einstein condensate, and Efimov liquid. A single ingredient of our model would remain relevant in the infinite-temperature limit, namely the three-body hard-core repulsion, which constitutes a generalization of the classical hard-sphere potential. For this model, we have proposed a solution to the two- and three-dimensional packing problem, based on an analytical ansatz and on the simulated-annealing technique. Extending these results to finite pressure showed that the system has a discontinuous melting transition, which we identified through the Monte Carlo method.

Ce travail de thèse rapporte la production tout optique de condensats de Bose-Einstein de 39K. Une étape clé du processus expérimental est l’obtention d’un nuage suffisamment froid permettant le chargement direct d’un piège dipolaire de manière efficace. Notre solution est l’utilisation d’une mélasse fonctionnant dans le bleu de la raie D1 de cet alcalin conduisant à une densité dans l’espace des phases élevée et ainsi au chargement direct d’un grand nombre d’atomes dans un piège à 1550 nm. Le nuage est ensuite polarisé puis comprimé dans un piège dipolaire croisé avant d’entamer un refroidissement évaporatif efficace au voisinage d’une résonance de Feshbach. Ce processus permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 7 secondes sur notre expérience. Ces nuages dégénérés représentent le point de départ pour la conduite d’expériences visant à étudier les effets du désordre dans les gaz quantiques en dimensions réduites. Nous envisageons l’étude du diagramme de phase du gaz de Bose bidimensionnel désordonné, de la localisation d’Anderson en dimension deux ainsi que l’étude de l’influence du désordre sur un soliton brillant dans une géométrie unidimensionnelle. / This thesis presents the all optical production of 39K Bose-Einstein condensates. A key point in the process is the sub-Doppler cooling that allows for an efficient loading of an optical dipole trap. To this aim we use a gray molasses scheme working on the blue side of the D1 line of this alkali that leads to a high phase space density and a high number of trapped atoms in a 1550 nm optical trap. The cloud is then polarized and compressed in a crossed dipole trap before starting an efficient forced evaporation close to a Feshbach resonance. This process allows us to produce Bose-Einstein condensates every 7 seconds with our experiment. Those degenerate clouds represent the starting point of experiments aiming to study the influence of disorder on quantum gases in low dimensions. We discuss the perspectives to study of the phase diagram of the two-dimensional disordered Bose gas as well as the Anderson localization phenomenon in two dimensions and the behaviour of bright solitons in a disordered potential in a one-dimensional geometry.

Le potassium 39 est l'un des alcalins pour lesquels il est possible de contrôler les interactions entre atomes grâce à l'utilisation de résonances de Feshbach. Cette thèse présente un protocole rapide et performant de production de condensats de Bose-Einstein tout optiques de 39K. Notre technique s'appuie sur l'utilisation de mélasses grises permettant de refroidir suffisamment le nuage atomique pour charger directement un piège optique, ainsi que sur une phase d'évaporation optique réalisée au voisinage d'une résonance de Feshbach afin de contrôler le taux de collisions entre atomes. Des études dans divers mélanges de spins nous ont permis d'observer de nouvelles résonances de Feshbach en onde p ainsi qu'une résonance en onde d. Cette dernière, présentant des caractéristiques peu usuelles, a été étudiée plus en détails afin de comprendre les processus de collisions en jeu. Le modèle développé, faisant intervenir deux étapes de collision à deux corps, permet d'expliquer les résultats expérimentaux obtenus. Dans les gaz de Bose dégénérés de 39K produits, le contrôle des interactions au voisinage de la résonance de Feshbach à 560,7 Gauss pour les atomes de 39K dans l'état |F=1,mF=-1> nous a permis d'adresser différents problèmes physiques. Dans le cas d'interactions répulsives, nous étudions l'expansion d'un condensat de Bose-Einstein dans le crossover dimensionel 1D-3D tandis que pour des interactions attractives, nous formons des solitons brillants dans un piège optique unidimensionnel. Les perspectives d'étude de ces gaz de Bose dégénérés auto-confinés dans des milieux désordonnés sont également discutées. / Potassium 39 is an alkali allowing to control the interactions between atoms thanks to Feshbach resonances. This thesis presents a fast and efficient way to produce all-optical Bose-Einstein condensates of 39K. Our technique is first taking advantage of gray molasses cooling leading to a cold enough sample to directly load an optical trap. Then an optical evaporation is performed near a Feshbach resonance to control the collision rate. Studies in various spin mixtures have allowed us to observe new p-wave Feshbach resonances and a d-wave Feshbach resonance. The later presents unusual properties and has been studied in details to understand the collision processes involved. The model developped is a two stage model, each one of them involving a two body collision. It explains the experimental results obtained. In the produced 39K degenerate Bose gases, tuning interactions near the Feshbach resonance at 560,7 Gauss for the atoms in |F=1,mF=-1> has allowed us to adress different physical problems. For repulsive interactions, we study the expansion of a Bose-Einstein condensate in the 1D-3D dimensional crossover. For attractive interactions we produce bright solitons in a one-dimensional optical trap. Perspectives concerning the study of those degenerate self-confined Bose gases in disordered media are also discussed.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale par spectroscopie optique de l'interaction lumière-matière dans des microcavités à base d'oxyde de zinc. Nous avons étudié plusieurs types de cavités planaires qui se démarquent des structures déjà existantes autant par leurs structures que par leurs procédés d'épitaxie. Les avantages théoriques qui ont motivé la réalisation, sont discutés puis vériés par des mesures expérimentales de réectivité et de photoluminescence en fonction de la température et de l'intensité d'excitation. Grâce aux caractéristiques optiques de ces nouvelles microcavités nous avons pu étudier l'émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons à haute température jusqu'à 300K.Des facteurs de qualité importants ainsi que des énergies de Rabi élevées permettent de mener une étude approfondie sur le lien qui existe entre la fraction photonique des polaritons et la valeur du seuil d'injection optique correspondant à l'eet laser à polaritons. Ce travailde recherche met en exergue les deux processus physiques identiés conduisant à l'eet laser à polaritons : le régime thermodynamique et le régime cinétique. De plus, l'inuence des interactions exciton-phonon est particulièrement soulignée comme un processus permettant de diminuer le seuil de condensation. / This thesis reports a spectroscopic study of the light-matter interaction in ZnO based microcavities.We have examined several planar microcavities which dier from the previous ones through their structures and their epitaxial processes. The theoretical advantages that have driven these realizations are discussed and veried through experimental measurements of reectivity and photoluminescence as a function of temperature and excitation intensity. Thanks to the optical characterics of these new cavities, we have studied the coherent light emission based on the condensation of polaritons at high temperature, up to 300K. High optical quality factor and high Rabi splitting allow to deeply analyze the relationship which exists between the photonic fraction of polaritons and the threshold excitation value corresponding to the occurrence of the polariton laser eect. This work highlights two identied physical processes which contribute to the laser eect : the thermodynamic and kinetic regimes. Moreover, it appears that the exciton-phonon interaction constitutes a specic phenomenon which allows to reduce the polariton laser threshold.

The Casimir-Polder interaction between a single neutral atom and a nearby surface, arising from the (quantum and thermal) fluctuations of the electromagnetic field, is a cornerstone of cavity quantum electrodynamics (cQED), and theoretically well established. Recently, Bose-Einstein condensates (BECs) of ultracold atoms have been used to test the predictions of cQED. The purpose of the present thesis is to upgrade single-atom cQED with the many-body theory needed to describe trapped atomic BECs. Tools and methods are developed in a second-quantized picture that treats atom and photon fields on the same footing. We formulate a diagrammatic expansion using correlation functions for both the electromagnetic field and the atomic system. The formalism is applied to investigate, for BECs trapped near surfaces, dispersion interactions of the van der Waals-Casimir-Polder type, and the Bosonic stimulation in spontaneous decay of excited atomic states. We also discuss a phononic Casimir effect, which arises from the quantum fluctuations in an interacting BEC. / Die durch (quantenmechanische und thermische) Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufene Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem elektrisch neutralen Atom und einer benachbarten Oberfläche stellt einen theoretisch gut untersuchten Aspekt der Resonator-Quantenelektrodynamik (cavity quantum electrodynamics, cQED) dar. Seit kurzem werden atomare Bose-Einstein-Kondensate (BECs) verwendet, um die theoretischen Vorhersagen der cQED zu überprüfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bestehende cQED Theorie für einzelne Atome mit den Techniken der Vielteilchenphysik zur Beschreibung von BECs zu verbinden. Es werden Werkzeuge und Methoden entwickelt, um sowohl Photon- als auch Atom-Felder gleichwertig in zweiter Quantisierung zu beschreiben. Wir formulieren eine diagrammatische Störungstheorie, die Korrelationsfunktionen des elektromagnetischen Feldes und des Atomsystems benutzt. Der Formalismus wird anschließend verwendet, um für in Fallen nahe einer Oberfläche gehaltene BECs Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen vom Casimir-Polder-Typ und die bosonische Stimulation des spontanen Zerfalls angeregter Atome zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir einen phononischen Casimir-Effekt, der durch die quantenmechanischen Fluktuationen in einem wechselwirkenden BEC entsteht.

We report experimentally results on the low temperature properties of two classes of materials with a special emphasizes near the QCP induced by substitution and magnetic 1.field: (1) the HF systems YbRh2(Si0.95Ge0.05)2, Yb1-yLayRh2Si2 (y = 0.05, 0.1),and YbIr2Si2 with tetragonal structures and CeIn3-xSnx (x = 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.8) with cubic structure; (2) the quantum spin systems: Cs2CuCl4 and Cs2CoCl4. In all the HF compounds we have observed NFL behavior in zero magnetic field close to the QCP. The La substituted system does not show an antiferromagnetic (AFM) transition down to the lowest accessible temperature (0.03 K) while in YbRh2(Si1-xGex)2 with x = 0 and x = 0.05 AFM transitions occur at TN =0.07 K and 0.02 K, respectively. For Yb0.9La0.1Rh2Si2 we observe below 0.07 K saturation of DeltaC/T indicating clearly a LFL state for this concentration. For YbIr2Si2, DeltaC/T saturates below 0.5 K. In contrast to the Yb based compounds in the vicinity of the QCP, CeIn3-xSnx shows no evidence of a divergence in Delta C/T, with B or with x. Furthermore, we used specic heat measurements in the mK temperature range and at high fields (up to 12 T) to probe the phase diagrams in the low dimensional quantum antiferromagnets Cs2CuCl4 and Cs2CoCl4. In applied magnetic field, we have presented experimental evidence that in Cs2CuCl4 the field dependence of the critical temperature Tc(B) ~ (Bc-B)^1-Phi close to the critical field Bc = 8.51 T is well described with Phi=1.5. This is in very good agreement with the exponent expected in the mean-field approximation and support the notion of a Bose-Einstein condensation of magnons in Cs2CuCl4.

La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont<br />considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En e_et leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation<br />à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à<br />ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure<br />photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons con_nés dans le puits quantique et les photons con_nés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec<br />celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états<br />mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein.<br />Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagn<br />ée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.

In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.