Cette thèse contient plusieurs études expérimentales centrées sur la dynamique des bosons dans une dimension (1D). En utilisant une expérience de type puce atomique, nous créons des géométries de piègage très allongées pour des atomes de 87Rb. Cela conduit à geler deux dimensions et à créer un gaz 1D avec des interactions de contact qui est décrit par le modèle de Lieb-Liniger. Le manuscrit contient trois études expérimentales indépendantes: La première étude traite de la dynamique hors équilibre suite à une trempe des interactions. Nous observons l'évolution temporelle des modes de Bogoliubov comprimés et montrons que cette dynamique continue sur des temps qui ne seraient pas observable sur la fonction de corrélation d'ordre un.La deuxième étude montre que les pertes à trois-corps refroidissent un gaz de Bose 1D dans le régime quasi-condensat. Ce travail est accompagné d'une étude théorique qui prédit ce refroidissement pour les pertes à j-corps.La troisième étude est la première étude expérimentale d'une nouvelle théorie des systèmes intégrables, nommé HydroDynamics Généralisé (HDG).Nous montrons que HDG est la seule théorie <<simple>> qui décrit correctement les résultats expérimentaux.En particulier, l’approche de l'HydroDynamique Conventiennelle (HDC) ne reproduit pas l’observation expérimentale. Contrairement au HDG, HDC ne prend pas en compte l’intégrabilité du système. / This thesis contains several experimental studies centered around the dynamics of bosons in one dimension (1D). With the use of an atomchip setup we create very elongated trapping geometries for $^{87}$Rb. This leads to the freeze-out of two dimensions and the creation of a 1D gas with contact interactions, described the Lieb-Liniger model. The manuscript contains three independent experimental studies: The first one investigates the out-of-equilibrium dynamics after an interaction quench. We observe the time evolution of squeezed Bogoliubov modes and show that this dynamics continues on times which cannot be observed on the first order correlation function.The second study shows that three-body losses cool a 1D Bose gas in the quasi-condensate regime. This work is accompanied by a theoretical study, which predicts this cooling for $j$-body losses.The third study consists of the first experimental study of a new theory in integrable systems -- the Generalized HydroDynamics (GHD).We show that GHD is the only "simple" theory which correctly describes the experimental results.In particular, the Conventional HydroDynamics (CHD) approach fails to reproduce the experimental observation. In contrast to GHD, CHD does not take into account the integrability of the system.

Un phénomène d'intrication entre des photons a été observé dans les années 80 par l'équipe dirigée par Alain Aspect. Cette observation a permis de rendre compte du caractère non local de ce phénomène. Nous verrons comment transposer les expériences d'optique au domaine des atomes froids. Une étude nouvelle d'une source d'atomes corrélée (intriquée ?) en impulsion sera présentée et des expériences d'interférences multiples seront analysées. L'objectif final de notre étude est de montrer qu'un test de violation des inégalités de Bell avec des atomes corrélés en impulsion est possible. C'est une expérience de physique fondamentale qui, si elle réussit, ouvre une porte sur la mesure d'effets de la gravité sur l'intrication, un des grands enjeux de la physique actuelle. / It has been experimentally demonstrated in the 1980s by Alain Aspect that the polarization entanglement between two photons can exist and consequently that the locality is no longer valid in this type of experiment. In our experiments, we seek to highlight this kind of phenomenon on atoms. Measurements will focus on external variables such as speed and we will see what tools we need to achieve them. It is a fundamental physics experiment that, if successful, opens the door to measures of possible effects between gravity and entanglement.

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<p>    </p> <p><em>P</em>-wave Efimov physics for three equal mass fermions with different symmetries has been modeled using two-body interactions of Lennard-Jones potentials between each pair of Fermi atoms, and is predicted to modify the long range three-body interaction potential energies, but without producing a real Efimov effect. Our analysis treats the following trimer angular momenta and parities, L^Π = 0⁺,1⁺,1⁻ and 2⁻, for either three spin-up fermions (↑↑↑), or two spin-up and one spin-down fermion (↑↓↑). Our results for the long range behavior in some of those cases agree with previous work by Werner and Castin and by Blume <em>et al.</em>, namely in cases where the s-wave scattering length goes to infinity. This thesis extends those calculated interaction energies to small and intermediate hyperradii comparable to the van der Waals length, and considers additional unitarity scenarios where the p-wave scattering volume approaches infinity. The crucial role of the diagonal hyperradial adiabatic correction term is identified and characterized. For the equal mass fermionic trimers with two different spin components near the unitary limit are shown to possess a universal van der Waals bound or resonance state near s-wave unitarity, when p-wave interactions are included between the particles with equal spin. Our treatment uses a single-channel Lennard-Jones interaction with long range two-body van der Waals potentials. While it is well-known that there is no true Efimov effect that would produce an infinite number of bound states in the unitary limit for these fermionic systems, we demonstrate that another type of universality emerges for the symmetry L^Π = 1⁻. The universality is a remnant of Efimov physics that exists in this system at p-wave unitarity, and it leads to modified threshold and scaling laws in that limit. Application of our model to the system of three lithium atoms studied experimentally by Du, Zhang, and Thomas [Phys. Rev. Lett. <strong>102</strong>, 250402 (2009)] yields a detailed interpretation of their measured three-body recombination loss rates. </p>

Au cours de cette thèse, la physique des systèmes en interaction à été étudié expérimentalement à partir de gaz froids d'atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg sont des atomes dans un état fortement excités et ils ont la propriété d'interagir fortement du fait d'interactions électrostatiques à longue portée. Le premier résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'un processus à quatre corps. Ce processus consiste en l'échange d'énergie interne entre quatre atomes de Rydberg induit par leurs interactions mutuelles. Il a été possible, en plus de son observation expérimentale, de décrire théoriquement ce processus, au niveau quantique. L'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction a aussi été étudiée durant cette thèse. Cette situation donne lieu à de très intéressants comportements à N-corps. Ce sujet d'intérêt fondamental pourrait aussi amener à d'éventuelles applications pour la réalisation de simulateurs quantiques ou de sources de lumière non classiques. Un second résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'une statistique fortement sub-poissonienne, i.e corrélée de l'excitation Rydberg. Ce résultat confirme le caractère à N-corps de tels systèmes. Le troisième résultat majeur de cette thèse est le développement d'un modèle théorique pour l'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction. En utilisant les états quantiques dit états collectifs de Dicke, il a été possible de mettre au jour de nouveaux mécanismes liés au comportement à N-corps de ces sytèmes atomiques en forte interaction. / Uring this thesis, the Physics of interacting systems has been investigated experimentally using Cold Rydberg gases. Rydberg atoms are highly excited atoms and have the property to interact together through long-range electrostatic interactions.The first highlight of this thesis is the direct experimental observation of a 4-body process. This process consists in the exchange of internal energy between 4 Rydbergs atoms due to their mutual interactions. In addition to its observation, it has been possible to describ this process theoretically at a quantum level.The laser excitation of strongly interacting Rydberg gases has been also investigated during this thesis. In this regime, the interactions between Rydberg atoms give rise to very interesting many-body behaviors. In addition to fundamental interest, such systems could be used to realyze quantum simulators or non-classical light sources.A second highlight of this thesis is the experimental observation of a highly sub-poissonian, i.e correlated, excitation statistics. This result confirms the many-body character of the investigated system.The third highlight of this thesis is the development of a theoretical model to describ the laser excitation of strongly interacting Rydberg gases. Using the so-called Dicke collective states it has been possible to point out new mechanismes related to the many-body character of strongly atomic interacting systems.

Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée. / Electron and Ion beams are at the base of many instrumental techniques used to explore, to analyse and to modify materials from the micrometer to the manometer scale (Electronic Microscopy, Electron Spectrometry, Focused Ion beams techniques…). Spatial and Energetic resolutions of these techniques are strongly dependent on its source‘s properties and particularly their working temperature. In fact, for more than ten years, the potential of ionised cold atoms have been intensively studied. Our experiment at LAC, described in this thesis, uses a 2 dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) to create a caesium atomic beam. The transverse temperature of the beam is around 100 µK. Despite this, the beam is still too divergent after exiting the cooling area. To guide the atomic beam up to the ionisation area, we have studied and implemented a particular method of dipolar guiding. The use of a unique laser properly set allowed us to push and guide altogether the atoms of the beam while limiting the heating effect. Thus, we have managed to compress the atomic beam’s size to 400 µm at 60 cm from the output of the MOT.Afterward, the atomic beam is ionised by the method of Rydberg (static) field ionisation. The atoms are firstly excited by laser on a Rydberg state (n~30) as a static homogeneous and uniform electric field is applied. The excited atoms of beam travel therefore to a high-gradient field area where they ionise around the same electric potential value, therefore reducing the ionisation area’s size and the initial potential energy spread of the electron beam. The ionisation probability of the atoms in the field depends greatly on the excited Rydberg state. The choice of an optimal Rydberg state , i.e. with the highest probability of ionisation, needs better knowledge of the ionisation of cesium Rydberg states. A two levels model us to describe the ionisation behaviour of some Ryberg. This simple models helps to understand what kind of states we want to excite in order to optimise the ionisation area‘s size. An experimental study of cesium Rydberg states is also presented.

: cette thèse porte sur l’étude d’un accéléromètre à ondes de matière fonctionnant à bord d’un avion effectuant des vols paraboliques et permettant des expériences en micro-gravité (0-g). Un interféromètre à atomes de 87Rb refroidis par laser, et dont les états quantiques sont manipulés à l’aide de transitions Raman stimulées, constitue l’élément physique du capteur. Lors de la conception du dispositif expérimental, un effort particulier a été apporté au choix d’une source laser transportable, stable, et robuste. Nous démontrons pour la première fois le fonctionnement aéroporté d’un senseur inertiel à ondes de matière, à la fois en 0-g et durant les phases de gravité des vols (1-g). Nous proposons une technique combinant le signal de l’interféromètre à celui d’accéléromètres mécaniques auxiliaires pour effectuer des mesures au dela de la dynamique intrinsèque du capteur atomique. Nous expliquons comment bénéficier du haut niveau de sensibilité de l’interféromètre dans l’avion, et indiquons des voies d’améliorations significatives de notre dispositif pour le futur. En 0-g, nous montrons une amélioration de la sensibilité de l’accéléromètre jusque 2 x 10-4 m.s-2 à une seconde, et étudions une réjection des vibrations de l’avion à l’aide d’un interféromètre à quatre impulsions Raman. L’objectif de notre projet consiste en un test du principe d’universalité de la chute libre avec un double accéléromètre à atomes de 87Rb et de 39K. Notre système laser double-espèce emploie des composants optiques fibrés aux longueurs d’onde de 1.56 et 1.54 μm, ainsi qu’un doublage de fréquence pour obtenir la lumière utile à 780 et 767 nm pour le refroidissement et la manipulation des deux atomes. Nous étudions théoriquement la sensibilité d’une mesure de leur différence d’accélération en tenant compte des vibrations de l’avion, et précisons comment une résolution de l’ordre de 10-10 m.s-2 pourra être atteinte dans le futur avec notre expérience aéroportée. / This thesis reports the study of a matter-wave accelerometer operated aboard a 0-g plane in ballistic flights. The acceleration measurements are performed with a cold 87Rb atom interferometer using stimulated Raman transitions to manipulate the quantum states of the atoms. When designing the instrument, we took special care to make the laser source transportable, robust, and stable. With our setup, we demonstrate the first operation of a matter-wave inertial sensor aboard a plane, both in 0-g and during the gravity phases of the flights (1-g). Thanks to additional mechanical accelerometers probing the coarse inertial effects, we are able to detect acceleration fluctuations much greater than the intrinsic measurement range of the interferometer. We explain our method to benefit from the full sensitivity of the matter-wave sensor in the plane, and suggest significant improvements of our system for the future. In 0-g, we show the enhancement of the accelerometer sensitivity up to 2 x 10-4 m.s-2 in one second, and investigate a rejection of the vibrations of the plane with a four Raman pulses interferometer. The goal of our project is to perform a test of the universality of free fall with two atom accelerometers using 87Rb and 39K. The laser system for the two-species interferometer is based on fiber optical components at wavelengths of 1.56 and 1.54 μm, and optical frequency doubling to generate the useful light at 780 and 767 nm to cool and manipulate the atoms. We study theoretically the sensitivity of the differential acceleration measurement by taking into account the vibrations of the plane, and discuss how a resolution of the order of 10-10 m.s-2 could be achieved in the future with our airborne experiment.

Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes. / In this thesis, an experiment of correlated atom pairs production through four-wave mixing in an optical lattice is described. The twin atoms are analogous to the twin photons produced by parametric down conversion, used in many fondamental quantum optics experiments, and applied in interferometry and quantum information. Because of the dispersion relation, phase matching can be obtained when atoms move in a periodic potential. Four-wave mixing then spontaneously occurs and is a special case of dynamical instability. We performed the experiment with a degenerate metastable helium gas, obtained in a very elongated optical trap. A moving optical lattice, whose characterisation can also be found in the manuscript, was applied on the atoms. The resulting four-wave mixing was studied using a 3D-resolved single atom detector. The phase-matching conditions of this process and the populated modes were investigated. We showed that with our method atoms are preferentially scattered into two narrow classes with tunable velocities and populations. This versatility should be an advantage when using the pairs in future experiments. For each of these velocity classes, we mesured a Hanbury Brown and Twiss local correlation. Furthermore, we demonstrated relative number squeezing between both classes. These two simultaneous effects indicate the non-classicality of the generated pairs, which can be used in quantum atom optics experiments, for example to observe the Hong-Ou-Mandel effect with atoms.

Les systèmes quantiques à N corps en interaction sont au cœur des problèmes actuels de la recherche en physique quantique. La compréhension de tels systèmes est un enjeu crucial pour le développement des connaissances en physique de la matière condensée. De nombreux efforts de recherche visent à la construction d'un « simulateur quantique » : une plateforme permettant de modéliser, grâce à un système quantique bien contrôlé, un système quantique dont l'accès expérimental est difficile. Les fortes interactions dipolaires entre atomes de Rydberg représentent un objet d'étude choix pour ce type de problème. Nous présentons dans le présent manuscrit une étude des conditions d'excitation d'un nuage dense d'atomes de Rydberg en interaction, permise par le dispositif expérimental dont nous disposons, qui mêle les techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes sur puce avec les techniques de manipulation des niveaux de Rydberg. Les résultats de cette étude nous permettent de formuler une proposition expérimentale complète de développement d'un simulateur quantique fondé sur le piégeage d'atomes de Rydberg circulaires. Le simulateur que nous proposons est très prometteur, grâce à sa flexibilité et aux longs temps de simulation qu’il permettrait. Nous terminons ce manuscrit par la description détaillée de la première étape sur le chemin vers ce simulateur : l'excitation d’atomes de Rydberg circulaires sur puce. / Interacting many-body quantum systems are at the heart of contemporary research in quantum physics. The understanding of such systems is crucial to the development of condensed-matter physics. Many research efforts aim at building a "quantum simulator": a platform which allows to model a hard-to-access quantum system with a more controllable one. Ensembles of Rydberg atoms, thanks to their strong dipolar interactions, make for an excellent system to study many-body quantum physics. We present here a study of the excitation of a dense cloud of interacting Rydberg atoms. This study was conducted on an experimental setup mixing on-chip cold atoms techniques with Rydberg atoms manipulation techniques. The result of this study leads us to make a full-fledged proposal for the realisation of a quantum simulator, based on trapped circular Rydberg atoms. The proposed simulator is particularly promising due to its flexibility and to the long simulation times for which it would allow. We conclude this manuscript with a detailed description of the first experimental step towards building such a simulator: the on-chip excitation of circular Rydberg atoms.