Ce manuscrit est séparé en deux parties, toutes deux traitant de la diffusion d'une onde de matière guidée sur des potentiels façonnés. La première partie montre la réalisation expérimentale d'un miroir de Bragg pour ondes atomiques. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental permettant d'obtenir des condensats de Bose-Einstein avec un piège optique dipolaire croisé. Le découplage du condensat et sa mise en mouvement dans un guide optique sont ensuite détaillés. La mise en place et la caractérisation du réseau optique sur lequel le condensat diffuse sont expliquées. Enfin, nous détaillons le processus de diffusion lui-même, et expliquons en particulier le rôle joué par l'enveloppe du réseau. Selon la profondeur du réseau, celui-ci réfléchit différentes classes de vitesses du paquet d'ondes de matière incident. Ces observations rappellent la physique à l'oeuvre dans les miroirs optiques diélectriques, encore baptisés miroirs de Bragg. Dans la deuxième partie, nous étudions la diffusion sur des potentiels de forme exponentielle. Le spectre et les états de diffusion sont obtenus exactement. Nous appliquons ensuite le formalisme de la supersymétrie appliquée à la mécanique quantique qui permet de déduire les familles de potentiels isospectraux correspondantes. De plus, nous exploitons ces solutions exactes pour tester la précision de plusieurs approximations utilisées en mécanique quantique (approximations semi-classiques et méthode variationnelle).

Dans ce mémoire, nous présentons les études réalisées pour permettre l'observation de paires d'atomes corrélés produites lors de la collision de deux condensats de Bose-Einstein d'hélium métastable. Un système basé sur l'utilisation de trois faisceaux laser permet la réalisation d'un transfert Raman qui extrait d'un piège magnétique et sépare en deux parties d'impulsions moyennes opposées le condensat produit expérimentalement. Des processus de collisions élastiques, intervenant pendant la propagation des condensats, sont à l'origine de la diffusion de paires d'atomes dont les impulsions satisfont aux lois de conservation de l'énergie et de l'impulsion. La grande énergie interne des atomes d'hélium métastable rend possible l'utilisation d'un détecteur d'atome unique basé sur l'utilisation de galettes de microcanaux et sensible en position, donnant accès à une reconstruction tridimensionnelle des impulsions des atomes diffusés lors de la collision. L'étude de la statistique de ces impulsions permet la mise en évidence de corrélations entre les atomes diffusés, d'impulsions opposés. Le volume de corrélation mesuré peut être rapproché de l'extension de la distribution d'impulsion du condensat initial, elle même limitée par le principe d'incertitude de Heisenberg. Cette interprétation est confirmée par l'observation de corrélations entre les atomes diffusés dans une même direction. Un tel effet correspond à une manifestation de l'effet Hanbury Brown et Twiss pour des bosons indiscernables. La mise en place d'une telle source de paires d'atomes corrélés constitue un premier pas vers la réalisation d'expériences où l'intrication des paires produites pourra être confirmée.

Cette thèse s'intéresse à la génération d'états atomiques compressés par la mesure. La mesure considérée est de type quantique non-destructive, et profite de la surtension d'un résonateur optique de grande finesse. L'interférométrie atomique a démontré des performances inégalées pour la mesure de rotations, d'accélérations et du temps. Mais la sensibilité de ces appareils est aujourd'hui limitée par le bruit de grenaille, qui ne pourra être dépassé que par l'utilisation d'états non-classiques. Dans ce contexte, nous avons développé un appareil contenant une cavité optique de haute-finesse résonante à 1560 nm et à 780 nm. La lumière laser à 1560 nm qui est injectée dans la cavité génère un piège dipolaire où des atomes de Rb 87 sont chargés à partir d'un piège magnéto-optique. Le temps de vie de ces atomes dans le piège dipolaire est limité par les collisions avec le gaz résiduel, ce qui donne bon espoir pour l'implémentation d'une évaporation. Les concepts de mesure QND sont ensuite mis en place et un formalisme de fonction d'onde décrivant la dynamique de compression d'états est discuté et appliqué à des situations concrètes. Expérimentalement, cette mesure non-destructive réalisée à 780 nm a été implémentée grâce à une technique de modulation de fréquence particulièrement insensible aux bruits classiques. L'influence de cette sonde sur le système a été quantifiée en simple passage et cet outil a permis de suivre en temps réel l'état d'un interféromètre atomique. En outre, nous avons réalisé un laser Raman de faible largeur de raie. Ce laser qui utilise les atomes froids comme milieu à gain serait particulièrement adapté pour réaliser des mesures spectroscopiques de précision.

Cette thèse a pour objet l'étude du transport quantique d'ondes de matière, obtenues à partir de condensats de Bose-Einstein, en connection avec les problèmes de transport électronique dans les solides. En effet, les atomes froids, de part le très bon contrôle qu'ils offrent sur les paramètres du système, sont aujourd'hui utilisés pour revisiter des problèmes fondamentaux de la matière condensée. Dans cette thèse, nous étudions en particulier la propagation d'une onde de matière créée par un condensat en expansion dans un guide optique 1D en présence de désordre, réalisé par un champ de tavelures laser (speckle). Cette étude a conduit à la première observation directe de la localisation d'Anderson 1D d'ondes de matière. Ce phénomène, emblématique de l'effet du désordre sur la propagation des ondes et initialement prédit dans le domaine de la matière condensée pour expliquer la transition métal-isolant, a en effet été mis en évidence avec divers types d'ondes classiques mais n'avait jamais été observé directement avec des ondes de matière. Ces travaux sont le point de départ à des expériences de transport quantique plus complexes. En parallèle, nous étudions un nouveau type d'onde de matière : le laser à atomes guidé. Celui-ci se propage avec une longueur d'onde de de Broglie élevée et offre la possibilité de contrôler indépendamment son énergie et son flux. Le laser à atomes est ainsi particulièrement adapté à l'étude de phénomènes de transport quantique. Nous présentons dans cette thèse la caractérisation de sa largeur spectrale, réalisée à partir de la mesure de la transmission du laser à atomes à travers une barrière de potentiel épaisse, réalisée optiquement.

Cette thèse présente la réalisation d'un dispositif expérimental permettant l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein de 87Rb. Pour atteindre la dégénérescence quantique, nous utilisons un piège dipolaire optique à 1565 nm. L'aspect inédit de ce travail de thèse réside dans l'utilisation de cette longueur d'onde pour réaliser un condensat de Bose-Einstein par une approche tout-optique. Une nouvelle méthode d'imagerie in situ basée sur les déplacements lumineux induits par la source à 1565 nm sur les niveaux d'énergies du 87Rb , semblable à une tomographie, a été mise en place. Elle nous permet de cartographier le potentiel dipolaire optique ainsi que d'observer la distribution atomique en énergie potentielle lors de la thermalisation du nuage d'atomes froids dans le piège optique. Notre compréhension des déplacements lumineux induits par le piège dipolaire optique sur l'atome de 87Rb a permis d'adapter la géométrie du piège pour charger suffisamment d'atomes, afin d'amorcer un refroidissement évaporatif, dernière étape vers la dégénérescence quantique. Un condensat de Bose-Einstein a finalement été produit après environ 4 secondes d'évaporation. Nous obtenons typiquement 50 000 atomes à 80 nK au terme du cycle de l'expérience.

Cette thèse s'intéresse à la problématique de l'étude expérimentale du transport quantique d'ondes de matière avec des atomes froids. Ceux-ci étant facilement contrôlables, ils offrent la possibilité de créer des systèmes d'étude idéaux, notamment pour tester des théories de matière condensée. L'ensemble du système expérimental utilisé pour cela est décrit en détail dans le manuscrit. Il permet de réaliser des expériences aussi bien à une dimension qu'à trois dimensions, à partir de l'expansion cohérente d'ondes de matières issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous intéressons en particulier au problème du transport quantique dans les milieux désordonnés, qui conduit au phénomène de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les résultats récemment obtenus à une dimension, qui ont permis d'observer directement le phénomène avec des ondes de matière. Nous présentons ensuite les premières étapes d'une expérience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparaît dans les systèmes tridimensionnels. Enfin, nous présentons une étude détaillée d'un laser à atomes guidés, qui pourrait se révéler être un outil particulièrement adapté à l'étude des phénomènes de transport quantique d'ondes de matière. Il permet en effet de contrôler de façon indépendante l'énergie des ondes de matière extraites, ainsi que le flux atomique à l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liées à sa génération par une transition radiofréquence, aussi bien qu'à sa propagation dans un guide d'onde, sont données.

Dans cette thèse, nous faisons état de la construction d’un dispositif expérimentalcapable de piéger et refroidir un gaz d’ytterbium, dans l’optique de simuler des champsmagnétiques artificiels. Ce dispositif permettra, à terme, de produire et de caractériserdes états quantiques fortement corrélés, semblables aux états rencontrés dans la physiquede l’effet Hall quantique, entier ou fractionnaire.Dans un premier temps, nous décrivons la construction des parties de notre dispositifconsacrées au refroidissement optique de l’ytterbium (174Yb). En particulier, nousprésentons la conception d’un ralentisseur Zeeman, permettant le chargement direct d’unpiège magnéto-optique effectué sur la transition d’intercombinaison 1S0 ! 3P1 de l’ytterbium.Après transport dans un piège optique, une étape de refroidissement évaporatifnous permet d’obtenir des condensats de Bose-Einstein contenant environ 5×104 atomesd’ytterbium. Les condensats produits sont alors chargés dans un réseau optique verticalà la longueur d’onde « magique ».Nous présentons ensuite la construction d’un système laser étroit à 578nm capabled’exciter la transition « d’horloge » 1S0 ! 3P0 de l’ytterbium. Le laser est asservi surune cavité Fabry-Perot de grande finesse servant de référence de fréquence, dont nousavons caractérisé les différentes propriétés. Nous présentons en particulier une méthodepermettant de calibrer rapidement la fréquence absolue de la cavité par comparaison avecune transition de la molécule de diiode.Finalement, nous présentons les résultats d’expériences de spectroscopie effectuées surdes condensats d’ytterbium à l’aide du laser étroit, ainsi que la manipulation cohérentedu condensat sur la transition d’horloge au cours d’expériences d’oscillations de Rabi. Cesexpériences préliminaires ouvrent notamment la voie à la mesure des propriétés colisionnellesde l’ytterbium 174. / In this thesis, we report on the construction of an experiment aimed at trapping andcooling an ytterbium gaz, in order to realize artificial gauge fields. In the long term, thissetup will allow the study of strongly correlated quantum states which are atomic analogsof integer or fractional quantum Hall systems.We will first present the building of our experimental apparatus, and the optical coolingof ytterbium (174Yb). In particular, we will report on the design of a Zeeman slower,allowing for the direct loading of a magneto-optical trap operated on ytterbium’s intercombinationtransition 1S0 ! 3P1. The atomic cloud is then transported in an opticaldipole trap. A subsequent evaporative cooling stage results in the production of Bose-Einstein condensates of about 5 × 104 atoms.We then describe the construction of an ultra-narrow laser system at 578nm, able todrive ytterbium’s « clock » transition 1S0 ! 3P0. The laser frequency is stabilized using ahigh-finesse Fabry-Perot cavity, whose properties are precisely characterized in this work.Specifically, we present a method to calibrate the absolute frequency of the cavity bycomparison with an optical transition of molecular iodine.Finally, we show the results of spectroscopic measurements done on ytterbium condensatesusing the ultra-narrow laser. We also report on the coherent manipulation of thecondensate on the clock transition, consisting in the observation of Rabi oscillations.These preliminary experiments should allow for a measurement of ytterbium’s scatteringproperties.Keywords : cold atoms, optical lattices, Bose-Einstein condensates, ultra-stable lasers,clock transition, quantum simulation.

Dans ce manuscrit, nous présentons notre avancement pour réaliser une méthode spectroscopique pour étudier la transition d’Anderson avec des atomes froids. Cela repose sur la réalisation d'un potentiel désordonné sélectif en état de spin, le désordre n'étant significatif que pour l'un des deux états de spin impliqués. En combinant cela avec la technique de transfert par radiofréquence d’un état insensible au désordre à un état exclusivement sensible au désordre, il devient possible de charger une onde de matière dans le désordre dans des états d’énergie bien définies. Pour prouver le concept, nous avons effectué des mesures des fonctions spectrales d’atomes ultra-froids dans des potentiels désordonnés, qui sont directement proportionnels au taux de transfert des atomes. Nous présentons les résultats en montrant un excellent accord avec les calculs numériques. Cela a ouvert des perspectives pour d’autres études sur la transition d’Anderson. En particulier, nous cherchons à observer la transition entre les états diffusifs et les états localisés séparés par une énergie critique, appelée le seuil de mobilité. Une telle étude nécessite la réalisation d’un désordre sélectif en état de spin qui permet un long temps de propagation dans le désordre afin de distinguer les deux phases. À cette fin, nous présentons un nouveau schéma du désordre sélectif en état de spin avec deux lasers du speckle (speckle bichromatique). Cela ouvre la voie à une approche spectroscopique de la transition d’Anderson avec des atomes froids avec une résolution en énergie bien supérieure à celles des expériences précédentes. / In this manuscript, we present our progress towards realizing a spectroscopic method to study of Anderson transition with ultracold atoms. This relies on the realization of state-dependent disordered potential whereby the disorder is significant only for one of two involved spin-states. Combined with technique of radio-frequency transfer from the disorder-free state to the state with controlled disorder, it becomes possible to load a matter wave in the disorder in a well-defined energy states. As a proof of principle, we have performed measurements of the spectral functions of ultracold atoms in disordered potentials, which are directly proportional to the transfer rate of the atoms. We present the results showing excellent agreement with numerical calculations. This has opened up prospects for further studies of the Anderson transition. In particular we seek to observe transition between the diffusive and the localized states separated by a critical energy, the so-called mobility edge. Such study requires realization of state-dependent disorder which allows long propagation time in the disorder in order to distinguish the two phases. For this purpose, we present a new scheme of the state-dependent disorder with two laser speckles (bichromatic laser speckle). This paves the way towards spectroscopic approach of Anderson transition with ultracold atoms with energy resolution much higher than those in the previous experiments.

Cette thèse détaille la mesure des corrélations d'intensité quantiques dans des gaz d'hélium métastable. La mesure s'est opérée sur des gaz thermiques bosoniques 4He et fermioniques 3He, ainsi que sur des condensats de Bose-Einstein.<br /><br />En 1956, Robert Hanbury Brown et Richard Twiss ont mesuré la corrélation entre des photons provenant d'une même source thermique. Ils avaient ainsi mis en évidence que les photons emis par une telle source arrivaient préférentiellement groupés sur le détecteur. Ce groupement charactérise les bosons provenant d'une source non-cohérente. Les fermions manifestent un anti-groupement dans les mêmes conditions.<br /><br />En utilisant des atomes d'hélium métastables, dont l'utilisation de galettes de micro-canuax facilite la détection individuelle, nous avons pu mettre en évidence un regroupement similaire des bosons 4He provenant de sources thermiques de l'ordre du microkelvin. La cohérence des condensats de Bose-Einstein n'a pas permis de dégager une corrélation particulière, comme attendue. Une mesure sur des gaz thermiques des fermions 3He a permis de mettre en évidence leur anti-groupement. Un soin particulier a été pris pour décrire le détecteur à base de galettes de microcanaux et de lignes à retard, une des clés de la réussite de la mesure.

Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité. / In this thesis, we study several methods to improve atom interferometers. In the first part of the manuscript, we analyze how a nondestructive detection, that preserves the coherence between the internal degrees of freedom in an atomic ensemble, can be used to increase the sensitivity of interferometers. We first theoretically show how the projection of the wave-function induced by the measurement prepares spin-squeezed states. We then present the implementation of this method with a detection based on the frequency modulation spectroscopy. Finally, some first applications are described, more explicitly we show how to implement a quantum feedback that preserve the atomic state against the decoherence induced by a random collective flip, we also introduce a phase-locked loop where the atomic sample is used as the phase reference. In the second part of the manuscript, we present the all-optical realization of a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity using a laser system based on standard telecoms technologies. We first describe the resonator and the frequency lock of the laser on the resonance, in particular, we introduce a new stabilization method based of the serrodyne modulation. Finally, we show how the condensate is obtained from the evaporation in the cavity mode.