La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion. / The thesis is positioned in the ultracold domain, i.e molecules which have velocities corresponding to microkelvin temperatures. The formation of molecular diluted gas at these temperatures is promising for important applications in quantum simulation, quantum information or in precision measurements.More particularly, the thesis is focused on the formation of molecules which are polar and paramagnetic. Some recent works are predicted that these molecules could be the ideal system for creating a quantum simulator of the lattice-spin system, which can describe the magnetism in solids. We have chosen the example of RbSr molecules for whose an experience runs in Amsterdam. We explored some alternatives based on the use of lasers for the formation of ultracold RbSr molecules.First, we considered the photoassociation whose the principle is coupling the initial scattering state with a rovibrational level of an excited electronic state. The following spontaneous emission step creates molecules in the electronic ground state. We also considered the problem of atom losses observed by experiments in Bangalore, when a focused photoassociation laser is applied. In the rest of the thesis, we explored coherent methods. Firstly, we showed a STIRAP sequence could create weakly bound molecules from isolated atomic pairs confined in a Mott insulator. Lastly, we explored some of these methods where the dynamic occurs only in the electronic ground state. The formation is induced by the use of a chirped pulse or a pi-pulse. We studied the factors of the transfer. Moreover, we discovered this method is related to a new kind of Feshbach resonances in the photon dressed picture, called Laser Assisted Self-Induced Feshbach Resonance (LASIFR). We showed LASIFR present the advantages of Magnetic and Optical Feshbach Resonances. They are a promising and powerful tool for the control of properties of quantum gas mixtures, like the interspecies scattering length.

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I present the construction of a low-velocity intense source (LVIS) of laser-cooled neutral strontium using permanent ring magnets. The LVIS consists of a magneto-optical trap from which cold strontium is extracted in a well-collimated beam. I also present the development and implementation of a full suite of low-noise, high-bandwidth laser control electronics including a microcontroller unit. This microcontroller remotely controls and monitors the current driver, temperature controller, and PID lock circuit for each diode laser simultaneously. The current driver output is accurate to within 2 micro-amps and repeatable to with a few nano-amps. The noise spectral density of the current driver hits a floor of 10^(-10) amps per root Hz at ~50 Hz and has a modulation bandwidth of ~50 MHz. The PID lock-circuit includes a scan-balancing option that we have used to scan an AR coated laser diode ~30 GHz mode-hop free. I describe the construction of an 80 mW frequency doubled 461 nm laser system using PPKTP for cooling and trapping neutral strontium in the LVIS. The LVIS, the electronics systems, and the 461 nm laser system represent major milestones on the way to producing a matter-wave interferometer using Sr-87 ions. The interferometer is based on an optical Raman transition between the hyperfine ground states of the Sr-87 ion. The ions will be produced by exciting the strontium LVIS beam to an auto-ionizing state in the continuum. In the interferometer two half-pi pulses of light and one pi pulse will be delivered to the ions to split and recombine their wave functions. I present calculations of the predicted sensitivity and a discussion of the possible applications. I present a method for locking a 407.8 nm laser to the 5s doublet S J=1/2 to 5p doublet P J=3/2 strontium ion transition in a neutral vapor. I present calculations for the necessary vacuum levels for the experiment and describe the preparation and assembly of the vacuum apparatus. The major vacuum system consists of two connected elastomer sealed chambers: one at 10^(-7) Torr and the other at 10^(-10) Torr separated by a region of low conductance. I present a Sr vapor cell constructed from standard CF fittings that allows the strontium to be heated to ~730 C, which can also be run as a thermal beam. I present a method for protecting the viewports on small-form alkali-earth vapor cells using lead or indium foil during the evaporation of oxide layers. Finally, I report on the current status of the experiment as well as detail future work on the apparatus.

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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. / The matter-light interaction in opaque media gives rise to collective effects which may be explained by the coupling between atomic equations and light transfer equation. The trapping of light in an opaque multi-levels atomic system will be studied experimentally in a cold vapour and theoritically. Then, this vapour will be in situation with gain and amplification of light occurs. We will show that a laser threshold exists with this kind of system. Experimentally, the mixing of Raman gain and multiple scattering on a resonant line allowed the abservation a cold-atom random laser. The validity of diffusion equation needs a non frequency shift and so the temperature of atoms should be sufficiently cold to avoid Doppler effect. Finally we study the transport of light in an opaque hot atomic vapour (20°C-180°C). The Doppler effect breaks the Beer-Lambert law for photons step size distribution which is then a Levy flight statictics.

Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats. / The main goal of this thesis consists on studying the production of a bright ion cesium source with a low energy dispersion. In this work, the technology of cold atoms is used to coupled this source with optical elements of focused ion beams (FIB).A cw ionic source with high current and small energy spread is necessary to complete the performances of others available sources. A new experimenal scheme is presented here.A continuous high flux of cesium atoms is produced by a recirculating oven. The atoms are the collimated and compessed using laser cooling technology. Several simulations concerning the collimation and the compression have been made.A different way of producing ions comes from the excitation in an electric field of Rydberg atoms and then their ionization in an electric field. The remarkable properties of Rydberg atoms show the possibilty to ionize them almost instantanely reducing this way the energy spread. In the work several simulations indicate the way to choose the right Rydberg state for this application and the correct corresponding electric field.Further simulations determinate the electrdes needed for the excitation and the ionization of the Rydberg atoms from the beam. Moreover, a first study of the coulombian effects occuring in this ion source is described. Finally, a theorical study of the ion source and optic FIB coupling is shown.The description of the experimental setup and the first results complete this work.

Cette thèse concerne la production et le contrôle d'hologrammes de haute qualité par un modulateur de phase à cristaux liquides (SLM) et l'utilisation de ces hologrammes pour la manipulation d'atomes froids. Ces hologrammes utilisés pour mettre en forme des faisceaux lasers et créer des potentiels dipolaires doivent être de bonne qualité. Or le SLM a des défauts qui peuvent les dégrader. Pour mesurer ces défauts nous avons développé une méthode reposant sur la mesure par polarimétrie de la biréfringence du SLM. La cartographie de biréfringence permet de mesurer l'hologramme en temps réel sans perturber l'expérience en cours. C'est donc une mesure in-situ. Une fois mesurés les défauts sont corrigés par une rétroaction sur la consigne donnée au SLM. Pour le démontrer nous avons créé un défaut artificiel avec un pointeur laser et nous l'avons réduit à λ/7 soit une amélioration de 42 %. Ensuite avec l'objectif d'appliquer des potentiels produit par un SLM aux atomes froids, j'ai dessiné, conçu puis réalisé en partie une expérience basée sur un jet d'atomes froids de rubidium issu d'un MOT-2D. Dans le chapitre correspondant je présente une étude de la faisabilité d'une expérience de guidage du jet d'atomes froids par un mode de Laguerre Gauss désaccordé vers le bleu de la transition. Nous avons montré que dans un tel guide le chauffage par émission spontanée est plus faible que dans un guide gaussien usuel désaccordé vers le rouge de la transition. De plus en réduisant la divergence naturelle du jet issu du MOT-2D nous devrions augmenter le flux d'atomes et améliorer l'efficacité de chargement d'un MOT-3D par un MOT-2D. / This thesis reports on the production and monitoring of high quality holograms generated by a liquid crystal spatial light modulator (SLM), and the application of these holograms to cold atoms manipulation. In order to produce accurate optical potentials by shaping a laser beam we need high quality holograms. Nevertheless SLMs suffer from defects which limit the quality. To measure defects we have developed a method based on polarimetry to get the birefringence map of the SLM. Birefringence mapping is suitable to monitor the hologram without disturbing the on-going experiment. It's an in-situ measurement. After the measurement, defects are corrected by a feedback on the input hologram. As a proof we created an artificial defect with a laser pointer and reduced it to λ/7 which corresponds to a 42% improvement. Our second goal is to apply SLM-shaped potentials to cold atoms, so I designed and did part of an experiment based on a cold atom beam provided by a rubidium 2D-MOT. In the corresponding chapter I've studied the feasibility of guiding the cold atom beam with a blue-detuned Laguerre-Gaussian beam. We showed that in such a guide the spontaneous emission is lower than in the usual red detuned gaussian guide case. Furthermore by reducing the cold atom beam divergence we expect to enhance the atomic flux and improve the loading efficiency of a 3D-MOT from a 2D-MOT.

Cette thèse se concentre sur des aspects multiorbitales des systèmes fermioniques fortement corrélés. En particulier, sur l'existence d'une différentiation orbitale dans laquelle la coexistence de caractère itinérant et localisé peut être associée à différentes orbitales. Cette problématique est examinée dans le contexte des atomes froids et des matériaux, offrant un pont entre les deux communautés.Dans la première partie de la thèse, nous donnons un aperçu du problème des corrélations fortes dans les matériaux, et nous introduisons le concept de 'transition de Mott sélective en orbitales'. Nous fournissons également les principaux outils pour comprendre comment les matériaux peuvent être simulés avec des atomes froids, et nous présentons des résultats importants liés à la transition métal-isolant de Mott. Les aspects techniques, basées sur la théorie du champ moyen dynamique sont également discutés, et la solution de deux principaux modèles de systèmes fermioniques fortement corrélés, à savoir le modèle d'Hubbard (HM) et le modèle de Falicov-Kimball (FKM), sont passés en revue.Ensuite, nous étudions en détail la physique de deux espèces fermioniques en interaction forte avec des masses différentes dans un réseau optique. Nous établissons les différentes phases (avec et sans ordre à longue portée) en termes de la force des interactions (U), du rapport des masses et de la température (T), et aussi nous discutons les variables thermodynamiques, qui sont pertinentes pour les expériences d'atomes froids. Nous montrons que dans la phase métallique (U inférieure à une valeur critique) et avec un certain degré de différence de masses, un 'crossover' apparaît entre un état métallique du type de liquide de Fermi à basse T, et un état avec différentiation orbital à haute T, où les fermions lourds se localisent tandis que les fermions légers restent itinérant. Par conséquent, nous proposons ce modèle minimal pour étudier la physique des systèmes qui présentent une différentiation orbitale avec des expériences d'atomes froids.Basé sur les propriétés du modèle étudié, nous proposons la 'chromatographie entropique' comme une nouvelle méthode pour refroidir des atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Nous discutons son efficacité et ses limites, et fournissons quelques idées afin de les surmonter.Dans la dernière partie de la thèse, nous généralisons le modèle précédent aux matériaux corrélés à plusieurs bandes qui permet d'afficher la différentiation orbitale. Nous montrons que l'état de Mott sélectif en orbital peut être stable sous les distorsions du réseau, modélisées par une hybridation locale entre les orbitales. Cependant, l'état de Mott est caractérisé par un pseudo-gap, où les fluctuations de charge sont brusquement réduites, mais l'état reste compressible. En relation au modèle précédent, nous discutons le 'crossover' entre l'état métallique et l'état sélectif induit par des effets température, nous comparons nos résultats avec les expériences de photoémission, et nous prédisons ce qui se passerait dans les matériaux qui présentent une hybridation locale entre les bandes. / This thesis focuses on multiorbital aspects of strongly correlated fermionic systems. In particular, it focuses on the existence of orbital differentiation in which coexistence of itinerant and localized character can be associated to different orbitals. This subject is discussed in the context of cold atoms and materials, providing a bridge between both communities.In the first part of the thesis, we give an insight into the problem of strong correlations in materials, and we introduce the concept of 'orbital-selective Mott transition'. We also provide the main tools to understand how materials can be simulated with cold atoms experiments, and we present important related results in the context of the metal-Mott insulator transition. The technical aspects, based on dynamical mean-field theory are also discussed, and the solution of two key models of strongly correlated fermionic systems, i.e., the Hubbard model (HM) and the Falicov-Kimball model (FKM), are reviewed.Then we study in detail the physics of two interacting fermionic species with different masses in an optical lattice. We establish the different phases (with and without long-range order) in terms of the interactions strength (U), mass ratio and temperature (T), and also discuss the thermodynamic variables, which are relevant in cold atoms experiments. We show that in the metallic phase (U below a critical value) and for some degree of mass imbalance, a crossover appears between a Fermi-liquid metallic state at low T, and an 'orbital-selective' state at higher T, where the heavy fermions effectively localize while the light species remain itinerant. Hence, we propose this minimal model for addressing orbital-selective physics with cold atoms experiments.Based on the properties of the studied model, we propose the 'entropic chromatography' as a new method for cooling fermionic atoms in optical lattices. We discuss its efficiency and limitations, and provide some ideas in order to overcome them.In the last part of the thesis we generalize the previous model to a model relevant for multiband correlated materials that can display orbital differentiation. We show that the orbital-selective Mott state can be stable under lattice distortions modeled by local hybridization between the orbitals. However, the Mott state is characterized by a pseudogap, where charge fluctuations abruptly reduce, but the state remains compressible. In connection with the previous model, we discuss the temperature-induced orbital-selective crossover in this problem, we compare our results with photoemission experiments, and predict what would happen in materials that display local hybridization between the bands.

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. / In this thesis, we report on the study of a matter-wave inertial sensor, operated in an airplane carrying out parabolic flights.We have developped a compact and robust dual-wavelength laser source to cool and interrogate 87Rb and 39K atoms. It is based on frequency-doubled telecom lasers locked on a femtosecond optical frequency comb. The use of fibered optical components makes the setup intrinsically immune to vibrations and thermal fluctuations. The laser source was validated in flight by obtaining a double-species magneto-optical trap.We have used the source to carry out airborne measurements with an atom interferometer operating with cold 87Rb atoms. An auxiliary mechanical accelerometer makes it possible to increase the atomic sensor's dynamic range, and to record interference fringes despite the high level of acceleration fluctuations. This hybrid sensor has a resolution of 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, which is approximately 100 times lower than the typical vibration level in the plane.In the perspective of testing the equivalence principle with cold atoms in microgravity, we finally theoretically study the operation of a differential interferometer and investigate the influence of some systematic effects.