Durant cette thèse, je me suis intéressé à deux thématiques générales qui peuvent être explorées dans des systèmes d’atomes froids : d’une part, la dynamique hors-équilibre d’un système quantique isolé, et d’autre part l’influence du désordre sur un système fortement corrélé à basse température. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de champ moyen, qui permet de résoudre la dynamique unitaire dans un modèle à géométrie particulière, le réseau complètement connecté. Cette approche permet d’établir une correspondance entre la dynamique unitaire du système quantique et des équations du mouvement classique. Nous avons mis à profit cette méthode pour étudier le phénomène de transition dynamique qui se signale, dans des modèles de champ moyen, par une singularité des observables aux temps longs, en fonction des paramètres initiaux ou finaux de la trempe. Nous avons montré l’existence d’une transition dynamique quantique dans les modèle de Bose-Hubbard, d’Ising en champ transverse et le modèle de Jaynes-Cummings. Ces résultats confirment l’existence d’un lien fort entre la présence d’une transition de phase quantique et d’une transition dynamique.Dans un second temps, nous avons étudié un modèle de théorie des champs relativiste avec symétrie O(N) afin de comprendre l’influence des fluctuations sur ces singularités. À l’ordre dominant en grand N, nous avons montré que la transition dynamique s’apparente à un phénomène critique. En effet, à la transition dynamique, les fonctions de corrélations suivent une loi d’échelle à temps égaux et à temps arbitraires. Il existe également une longueur caractéristique qui diverge à l’approche du point de transition. D’autre part, il apparaît que le point fixe admet une interprétation en terme de particules sans masse se propageant librement. Enfin, nous avons montré que la dynamique asymptotique au niveau du point fixe s’apparente à celle d’une trempe d’un état symétrique dans la phase de symétrie brisée. Le troisième volet de cette thèse apporte des éléments nouveaux pour la compréhension du diagramme des phases du modèle de Bose-Hubbard en présence de désordre. Pour ce faire,nous avons utilisé et étendu la méthode de la cavité quantique en champ moyen de Ioffe et Mézard, qui doit être utilisée avec la méthode des répliques. De cette manière, il est possible d’obtenir des résultats analytiques pour les exposants des lois de probabilité de la susceptibilité.Nos résultats indiquent que dans les différents régimes de la transition de phase de superfluide vers isolant, les lois d’échelle conventionnelles sont tantôt applicables, tantôt remplacées par une loi d’activation. Enfin, les exposants critiques varient continûment à la transition conventionnelle. / The fast progress of cold atoms experiments in the last decade has allowed to explore new aspects of strongly correlated systems. This thesis deals with two such general themes: the out of equilibrium dynamics of closed quantum systems, and the impact of disorder on strongly correlated bosons at zero temperature. Among the different questions about out of equilibrium dynamics, the phenomenon of dynamical transition is still lacking a complete understanding. The transition is typically signalled, in mean-field, by a singular behaviour of observables as a function of the parameters of the quench. In this thesis, a mean field method is developed to give evidence of a strong link between the quantum phase transition at zero temperature and the dynamical transition. We then study using field theory techniques a relativistic O($N$) model, and show that the dynamical transition bears similarities with a critical phenomenon. In this context, the dynamical transition also appears to be formally related to the dynamics of symmetry breaking. The second part of this thesis is about the disordered Bose-Hubbard model and the nature of its phase transitions. We use and extend the cavity mean field method, introduced by Ioffe and Mezard to obtain analytical results from the quantum cavity method and the replica trick. We find that the conventional transition, with power law scaling, is changed into an activated scaling in some regions of the phase diagram. Furthermore, the critical exponents are continuously varying along the conventional transition. These intriguing properties call for further investigations using different methods.

<p>Bose-Einstein condensates (BECs) in light-induced synthetic gauge fields and spaces can provide a highly-tunable platform for quantum simulations. Chapter 1 presents a short introduction to the concepts of BECs and our BEC machine. Chapter 2 introduces some basic ideas of how to use light-matter interactions to create synthetic gauge fields and spaces for neutral atoms. Three main research topics of the thesis are summarized below.</p> <p>Chapter 3: Recently, using bosonic quasiparticles (including their condensates) as spin carriers in spintronics has become promising for coherent spin transport over macroscopic distances. However, understanding the effects of spin-orbit (SO) coupling and many-body interactions on such a spin transport is barely explored. We study the effects of synthetic SO coupling (which can be turned on and off, not allowed in usual materials) and atomic interactions on the spin transport in an atomic BEC.</p> <p>Chapter 4: Interplay between matter and fields in physical spaces with nontrivial geometries can lead to phenomena unattainable in planar spaces. However, realizing such spaces is often impeded by experimental challenges. We synthesize real and curved synthetic dimensions into a Hall cylinder for a BEC, which develops symmetry-protected topological states absent in the planar counterpart. Our work opens the door to engineering synthetic gauge fields in spaces with a wide range of geometries and observing novel phenomena inherent to such spaces.</p> <p>Chapter 5: Rotational properties of a BEC are important to study its superfluidity. Recent studies have found that SO coupling can change a BEC's rotational and superfluid properties, but this topic is barely explored experimentally. We study rotational dynamics of a SO-coupled BEC in an effective rotating frame induced by a synthetic magnetic field. Our work may allow for studying how SO coupling modify a BEC's rotational and superfluid properties.</p> <p>Chapter 6 presents some possible future directions.</p>

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une nouvelle technique de décélération d’un jet supersonique de particules paramagnétiques en utilisant une onde de champ magnétique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une méthode de ralentissement basée sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un système paramagnétique en mouvement en présence d’un champ magnétique co-propageant. Cette méthode très innovatrice a l’avantage de pouvoir s’appliquer à une grande palette d’espèces ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d’applications. On décrit une approche théorique adaptée qui permet de faire un lien direct entre la théorie, la programmation des paramètres expérimentaux, les résultats obtenus et ce d’une manière systématique, rationnelle et prédictive.Ce mémoire est composé de trois parties. La première porte sur les forces décélératrices et le calcul des différentes forces, de type Stern Gerlach, utilisées dans nos expériences. Les formules établies dans cette partie sont essentielles pour l’interprétation des résultats expérimentaux. La deuxième partie porte sur le dispositif expérimental : le jet supersonique pré-refroidi, la zone d’interaction et la détection. On donne le détail de la réalisation des circuits créant les champs magnétiques nécessaires au guidage et à la décélération du jet. La troisième partie porte sur les résultats des expériences réalisées et leur interprétation directement à partir des équations du mouvement de l’effet Stern Gerlach. Des simulations sont présentées pour étayer les interprétations. On présente les résultats de décélération obtenus récemment sur l’argon et le néon métastables. Ces résultats valident clairement l’importance de l’ajout d’un champ magnétique uniforme qui définit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le découplage entre la précession des moments magnétiques et l’action des forces de gradient. Ces résultats mettent en évidence, aussi, l’effet de polarisation du jet qui dépend du sens relatif du champ magnétique uniforme ajouté par rapport à l’onde de champ magnétique progressive.Enfin, la compréhension et le contrôle de la dynamique du piégeage à une vitesse donnée, de l’accélération et de la décélération nécessitent le découplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de l’onde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnétique uniforme ajouté vient limiter les effets transverses de l’onde de champ magnétiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau décélérateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier résultat de piégeage du di-azote métastable à 560m/s est présenté et ceci ouvre la voie pour décélérer les molécules paramagnétiques en jet supersonique pulsé. La décélération des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable. / This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible.

La compréhension des effets des interactions dans un ensemble de particules quantiques représente un enjeu majeur de la physique moderne. Les atomes ultra-froids sont rapidement devenus un outil incomparable pour étudier ces systèmes quantiques fortement corrélés. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs travaux portant sur les propriétés d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi créé à l’aide de vapeurs ultra-froides de ⁷Li et de ⁶Li. Nous étudions tout d'abord les propriétés hydrodynamiques du mélange en créant un contre-courant entre les superfluides. L'écoulement est dissipatif uniquement au dessus d'une vitesse critique que nous mesurons dans le crossover BEC-BCS. Une simulation numérique d’un contre-courant de deux condensats permet de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents mis en jeu dans la dynamique. En particulier, l'étude numérique fournit des preuves supplémentaires que l'origine de la dissipation dans nos expériences est liée à l'émission d'excitation élémentaires dans chaque superfluide. Finalement, nous nous intéressons aux pertes inélastiques par recombinaison à trois corps qui peuvent limiter la stabilité de nos nuages. Ces pertes sont intimement liées aux corrélations à courte distance présentes dans le système et sont ainsi connectées aux propriétés universelles du gaz quantique. Cela se manifeste notamment par l’apparition de dépendances en densité ou en température inusuelles du taux de perte lorsque le système devient fortement corrélé. Nous démontrons cet effet dans deux exemples où les interactions sont résonantes, le cas du gaz de Bose unitaire et celui de notre mélange de superfluides Bose-Fermi. Plus généralement, nos travaux montrent que ces pertes inélastiques peuvent être utilisées pour sonder les corrélations quantiques dans un système en fortes interactions. / Understanding the effect of interactions in quantum many-body systems presents some of the most compelling challenges in modern physics. Ultracold atoms have emerged as a versatile platform to engineer and investigate these strongly correlated systems. In this thesis, we study the properties of a mixture of Bose and Fermi superfluids with tunable interactions produced using ultracold vapors of ⁷Li and ⁶Li. We first study the hydrodynamic properties of the mixture by creating a counterflow between the superfluids. The relative motion only exhibit dissipation above a critical velocity that we measure in the BEC-BCS crossover. A numerical simulation of counterflowing condensates allows for a better understanding of the underlying mechanisms at play in the dynamics. In particular, this numerical study provides additional evidence that the onset of friction in our experiment is due to the simultaneous generation of elementary excitations in both superfluids. Finally, we consider the inelastic losses that occur via three-body recombination in our cold gases. This few-body process is intimately related to short-distance correlations and is thereby connected to the universal properties of the many-body system. This manifests as the apparition of an unusual dependence on density or temperature in the loss rate when increasing the interactions. We demonstrate this effect in two examples where interactions are resonant: the case of a dilute unitary Bose gas and the one of impurities weakly coupled to a unitary Fermi gas. More generally, our work shows that inelastic losses can be used to probe quantum correlations in a many-body system.

Depuis plusieurs décennies un intérêt est né pour combiner deux systèmes quantiques pour former unsystème hybride quantique (SHQ) aux qualités qu’il serait impossible d’atteindre avec un seul des deuxsous-constituants. Parmi les systèmes quantiques, les atomes froids se distinguent par leur fort découplagede l’environnement, permettant un contrôle précis de leurs propriétés intrinsèques. En outre, les simulateursquantiques réalisés en piégeant des atomes froids dans des réseaux optiques présentent des propriétéscontrôlables (échelle d’énergie, géométrie,...) qui permettent d’étudier de nouveaux régimes intéressants enphysique de la matière condensée. Dans cette quête de phases quantiques exotiques (e.g., antiferromagnétisme),la réduction de l’entropie thermique est un défi crucial. Le prix à payer pour atteindre de si faiblestempérature et entropie est un long temps de thermalisation qui limite la réalisation expérimentale. La réductionde la période du réseau est une solution prometteuse pour augmenter la dynamique du système.Les SHQs avec des atomes froids offrent de riches perspectives mais requiert d’interfacer des systèmes quantiquesdans des états différents (solide/gaz) à des distances très proches, ce qui reste un défi expérimental.Le projet AUFRONS, dans lequel s’inscrit cette thèse, vise à refroidir un gaz d’atomes froids jusqu’aurégime de dégénérescence quantique puis de transporter et piéger ce nuage en champ proche d’une nanostructure.L’idée est d’obtenir un gaz d’atomes froids piégé dans un réseau bidimensionnel aux dimensionssublongueur d’onde, à quelques dizaines de nm de la structure. Un des objectifs est d’étudier les interactionsau sein du réseau mais également le couplage des atomes avec les modes de surface.Le travail réalisé durant cette thèse se décompose en une partie expérimentale et une partie théorique.Dans la première nous présentons le refroidissement d’atomes de 87Rb jusqu’au régime de dégénérescencequantique. La seconde partie est consacrée aux simulations théoriques d’une nouvelle méthode que nousavons implémentée pour piéger et manipuler des atomes froids à moins de 100 nm d’une nanostructure.Cette méthode, qui tire profit de la résonance plasmonique et des forces du vide (effet Casimir-Polder),permet de créer des potentiels sublongueur d’onde aux paramètres contrôlables. Nous détaillons ainsi lescalculs des forces optiques et des forces du vide que nous appliquons au cas d’un atome de 87Rb en champproche d’une nanostructure 1D. / An interest for hybrid quantum systems (HSQs) has been growing up for the last decades. This object combines two quantum systems in order to take advantage of both systems’ qualities, not available withonly one. Among these quantum systems, ultracold atoms distinguish themselves by their strong decoupling from environment which enables an excellent control of their intrinsic properties. Optical lattice quantum simulators with tunable properties (energy scale, geometry,...) allows one to investigate new regimes incondensed matter physics. In this quest for exotic quantum phases (e.g., antiferromagnetism), the reduction of thermal entropy is a crucial challenge. The price to pay for such low temperature and entropy is a longthermalization time that will ultimately limit the experimental realization. Miniaturization of lattice spacingis a promising solution to speed up the dynamics. Engineering cold atom hybrids offers promising perspectives but requires us to interface quantum systems in different states of matter at very short distances, which still remains an experimental challenge.This thesis is part of the AUFRONS project, which aims at cooling down an atomic gas until the quantum degeneracy regime then transport and trap this cloud in the near field of a nanostructure. The idea is to trapcold atoms in a two-dimensional subwavelength lattice, at a few tenth of nm away from the surface. One goal is to study atom-atom interactions within the lattice but also atom-surface modes coupling.The work realized during this thesis splits into an experimental part and a theoretical part. In the firstone, we present the cooling of 87Rb atoms until the quantum degeneracy regime. The second part is dedicated to theoretical simulations of a new trapping method we have implemented to trap and manipulate cold atoms below 100 nm from structures. This method takes advantage of plasmonic resonance and vacuum forces (Casimir-Polder effect). It allows one to create subwavelength potentials with controllable parameters.We detail the calculations of optical and vacuum forces to apply them to an atom of 87Rb in the vicinity of a 1D nanostructure.

Les interactions entre particules dans les gaz quantiques ultrafroids peuvent être contrôlées à l'aide de résonances de Fano-Feshbach. Ces résonances de diffusion se produisent lors de collisions à basse énergie entre deux atomes et sont généralement obtenues à l'aide d'un champ magnétique statique externe. Elles font des gaz atomiques ultrafroids un terrain d'exploration pour la recherche de nouvelles phases dans lesquelles la physique quantique joue un rôle clef.Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de la recherche de telles phases.Ce manuscrit comporte deux parties. La première est consacrée à l'étude de bosons composites obtenus dans des gaz de Fermi hétéronucléaires 2D. Nous étudions le diagramme de phase de ce système à T = 0 et nous mettons en évidence une transition de phase gaz-cristal. Nos résultats sont prometteurs en vue d'expériences futures avec le mélange 6Li-40K.Dans la seconde partie, nous proposons un nouveau type de résonance de Fano-Feshbach. Le couplage à l'origine de cette résonance est obtenu à l'aide d'un champ magnétique micro-onde.Notre méthode s'applique à n'importe quelle espèce atomique dont l'état fondamental est clivé par l'interaction hyperfine. Elle ne nécessite pas l'utilisation d'un champ magnétique statique.Nous décrivons d'abord ces résonances à l'aide d'un modèle simple à deux niveaux. Ensuite, nous les caractérisons numériquement à l'aide de notre propre programme implémentant l'approche multi-canaux des collisions atomiques. Nos résultats ouvrent des perspectives optimistes en vue de l'observation des résonances de Feshbach induites par un champ micro-onde avec les atomes alcalins bosoniques suivants : 23Na, 41K, 87Rb et 133Cs. / The interparticle interactions in ultracold atomic gases can be tuned using Fano-Feshbach scattering resonances, which occur in low-energy collisions between two atoms. These resonances are usually obtained using an external static magnetic field. They turn ultracold atomic gases into an experimental playground for the investigation of novel phases in which Quantum Physics plays a key role. The work presented in this memoir is part of the theoretical effort towards the search for yet unexplored quantum phases.This manuscript is organised in two parts. The first one is devoted to composite bosons formed in a 2D heteronuclear Fermi gas. We characterise the zero-temperature phase diagram and show the gas-crystal phase transition in this system. Our results are promising in view of future experiments with the 6Li-40K mixture.In the second part, we propose an alternative to static-field Fano-Feshbach resonances. The idea is to achieve the coupling by using a resonant microwave magnetic field. Our scheme applies to any atomic species whose ground state is split by the hyperfine interaction. It does not require the use of a static magnetic field. First, these resonances are presented using a simple two-channel model. We then characterise them numerically using our own full-edged implementation of the coupled-channel approach. Our results yield optimistic prospects for the observation of microwave-induced Fano-Feshbach resonances with the bosonic alkali atoms 23Na, 41K, 87Rb, and 133Cs.

Les systèmes en interaction à longue portée sont connus pour avoir des propriétés statistiques et dynamiques particulières. Pour décrire leur évolution dynamique, on utilise des équations cinétiques décrivant leur densité dans l'espace des phases. Ce manuscrit est divisé en deux parties indépendantes. La première traite de notre collaboration avec une équipe expérimentale sur un Piège Magnéto-Optique. Ce dispositif à grand nombre d'atomes présente des interactions coulombiennes effectives provenant de la rediffusion des photons. Nous avons proposé des tests expérimentaux pour mettre en évidence l'analogue d'une longueur de Debye, et son influence sur la réponse du système. Les expériences réalisées ne permettent pour l'instant pas de conclure de façon définitive. Dans la deuxième partie, nous avons analysé les modèles cinétiques de Vlasov et de Kuramoto. Pour étudier leur dynamique de dimension infinie, nous avons examiné les bifurcations autour des états stationnaires instables, l'objectif étant d'obtenir des équations réduites décrivant la dynamique de ces états. Nous avons réalisé des développements en variété instable sur cinq systèmes différents. Ces réductions sont parsemées de singularités, mais prédisent correctement la nature de la bifurcation, que nous avons testée numériquement. Nous avons conjecturé une réduction exacte (obtenue via la forme normale Triple Zero) autour des états inhomogènes de l'équation de Vlasov. Ces résultats génériques pourraient être pertinents dans un contexte astrophysique. Les autres résultats s'appliquent aux phénomènes de synchronisation du modèle de Kuramoto pour les oscillateurs avec inertie et/ou interactions retardées. / Long-range interacting systems are known to display particular statistical and dynamical properties.To describe their dynamical evolution, we can use kinetic equations describing their density in the phase space. This PhD thesis is divided into two distinct parts. The first part concerns our collaboration with an experimental team on a Magneto-Optical Trap. The physics of this widely-used device, operating with a large number of atoms, is supposed to display effective Coulomb interactions coming from photon rescattering. We have proposed experimental tests to highlight the analog of a Debye length, and its influence on the system response. The experimental realizations do not allow yet a definitive conclusion. In the second part, we analyzed the Vlasov and Kuramoto kinetic models. To study their infinite dimensional dynamics, we looked at bifurcations around unstable steady states. The goal was to obtain reduced equations describing the dynamical evolution. We performed unstable manifold expansions on five different kinetic systems. These reductions are in general not exact and plagued by singularities, yet they predict correctly the nature and scaling of the bifurcation, which we tested numerically. We conjectured an exact dimensional reduction (obtained using the Triple Zero normal form) around the inhomogeneous states of the Vlasov equation. These results are expected to be very generic and could be relevant in an astrophysical context. Other results apply to synchronization phenomena through the Kuramoto model for oscillators with inertia and/or delayed interactions.

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In dieser Arbeit untersuchen wir kollektive Strahlungseffekte in Nanofaser-gekoppelten atomaren Ensembles, die sich über Tausende von optischen Wellenlängen erstrecken. Wir koppeln bis zu 1000 Atome optisch an die geführten Moden einer optischen Nanofaser, die langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen den Atomen vermittelt. Wir realisieren eine unidirektionale Kopplung und damit ein kaskadiertes Quantensystem, in dem die Dynamik jedes Atoms ausschließlich durch die Dynamik der vorgelagerten Atome bestimmt wird. Wir regen die Atome mit nanofasergeführten optischen Pulsen kohärent an, was uns ermöglicht, den gesamten Parameterbereich von schwacher Anregung bis hin zur voll-ständigen Inversion zu erforschen. Wir stellen fest, dass die kohärente Vorwärtsstreuung, die für die Superradianz im Regime der schwachen Anregung verantwortlich ist, auch nahe voller Inversion eine wichtige Rolle für die Dynamik spielt. Wir beobachten superradiante Puls-Dynamik, die in unserem System trotz des makroskopischen Abstands zwischen den Atomen und einer asymmetrischen Kopplung auftritt. Wir stellen fest, dass die emittierte Spitzenleistung noch schneller mit der Anzahl der Atome skaliert als im Fall der idealen Dicke Superradianz, was auf eine kollektiv erhöhte Sammeleffizienz der nanofasergeführten Mode zurückzuführen ist. Die Analyse der Kohärenz-Eigenschaften des superradianten Pulses erlaubt es uns, zwei Regime der Puls-Dynamik zu identifizieren. Wir entwickeln ein kaskadiertes Wechselwirkungsmodell und zeigen, dass es die kollektive Dynamik unseres Systems über den gesamten in dieser Arbeit untersuchten Parameterbereich akkurat beschreibt. Schließlich untersuchen wir die getriebene Dynamik eines Nanofaser-gekoppelten Ensembles von Drei-Niveau-Atomen. Wir treiben Zwei-Photonen-Rabi-Oszillationen zwischen den beiden Grundzuständen eines $\Lambda$-Systems und beobachten die damit verbundene oszillatorische Raman-Verstärkung und -Absorption. / In this thesis, we study collective radiative effects in nanofiber-coupled atomic ensembles that extend over thousands of optical wavelengths. We optically couple up to 1000 atoms to the guided modes of an optical nanofiber, which mediates long-range dipole-dipole interactions between the atoms. We engineer the coupling to be unidirectional, realizing a cascaded quantum system in which the dynamics of each atom is solely determined by the dynamics of upstream atoms. We coherently excite the atoms using nanofiber-guided optical pulses, allowing us to explore the entire parameter regime from weak excitation to full inversion. We find that coherent forward scattering, which is responsible for superradiance in the weak excitation regime, plays an important role for the dynamics even close to full inversion. We observe superradiant burst dynamics, which occurs in our system despite the macroscopic separation between the atoms and an asymmetric coupling. We find that the peak-emitted power scales even faster with the number of atoms than in the case of ideal Dicke superradiance due to a collectively enhanced channeling efficiency into the nanofiber-guided mode. By analyzing the coherence properties of the superradiant burst, we directly identify two regimes of burst dynamics. In the second regime, there is no initial coherence, and the superradiant burst is seeded by vacuum fluctuations. We introduce a cascaded interaction model and find that it accurately describes the collective dynamics of our system over the entire parameter regime explored in this thesis. Finally, we study the driven dynamics of a nanofiber-coupled ensemble of three-level atoms. We drive two-photon Rabi oscillations between the two ground states of a $\Lambda$ system and observe the associated oscillatory Raman gain and absorption.