Ce mémoire de thèse présente les résultats d'un série<br />d'expériences sur des condensats de Bose-Einstein en rotation. Du<br />fait de la cohérence d'un condensat, la rotation s'introduit<br />généralement sous la forme de singularités de phase appelées<br />vortex. L'isolation et l'observation d'une unique ligne de vortex<br />ont permis d'étudier sa dynamique dans un condensat allongé. La<br />forme d'équilibre de la ligne de vortex ainsi que son évolution<br />sur des échelles de temps longues ont été caractérisées. Par leur<br />effet sur l'amortissement des modes de surface, les modes de<br />vibration de la ligne ont été mis en évidence. La limite des<br />rotations rapides a également été étudiée. Pour des vitesses de<br />rotation intermédiaires, elle est caractérisée par un grand nombre<br />de vortex arrangés en réseaux d'Abrikosov. Pour des vitesses<br />encore plus grandes, différentes phases sont attendues selon la<br />forme du potentiel. Cette limite a été étudiée dans le cas d'un<br />potentiel hybride contenant un petit terme quartique. Les nuages<br />en rotation, que nous avons caractérisés par plusieurs méthodes,<br />se révèlent avoir un comportement original. Leur observation<br />constitue un premier pas vers celle de phases corrélées proches du<br />régime Hall quantique fractionnaire.

Ce mémoire de thèse présente les résultats d'expériences menées sur des gaz atomiques dégénérés de lithium bosonique 7Li et fermionique 6Li. L'état fondamental à N corps de ces gaz dépend de manière cruciale de l'interaction atomique dont on peut ajuster l'intensité et changer la nature, attractive ou répulsive en variant un champ magnétique autour d'une résonance de Feshbach. L'utilisation d'une telle résonance dans 7Li nous permet de produire le premier soliton d'ondes de matière. Il s'agit d'une fonction d'onde atomique unidimensionelle dans laquelle l'interaction attractive compense la dispersion naturelle : elle se propage donc sans déformation. Nous produisons un soliton à partir d'un condensat de Bose-Einstein de 7Li transféré dans un guide d'ondes optique unidimensionnel. Sa propagation caractéristique est observée sur une distance de plus d'un millimètre. Dans un gaz de fermions 6Li en interaction, une autre résonance de Feshbach est utilisée pour former très efficacement des molécules de 6Li2 ultra-froides piégées. De façon surprenante, ces dimères de fermions présentent une durée de vie considérablement plus longue que les dimères de bosons formés de manière similaire. C'est une conséquence du principe de Pauli. Cette grande stabilité nous permet de produire un condensat de Bose-Einstein pur de ces molécules bosoniques, qui réalise une des limites du superfluide fermionique.

Etude expérimentale de la condensation de Bose-Einstein des excitons dans les solides.

Dans la première partie de la thèse, nous étudions le problème de l'équivalence quantique de modèles sigma reliés entre eux par la T-dualité non-abelienne. Nous prouvons que la renormalisabilité à une boucle de divers modèles initiaux implique la renormalisabilité à une boucle de leur partenaire dualisé, et qu'ils partagent les mêmes fonctions beta. Ceci est fait pour tous les modèles sigma principaux (G_L X G_R)/G_D, quelle que soit la brisure de G_R, ainsi que pour la large classe de métriques à quatre dimensions, inhomogènes et d'isométrie SU(2) X U(1). Pour l'exemple simple du modèle sigma T-dualisé SU(2), dont la non-renormalisabilité à deux boucles a été démontrée dans le schéma dimensionel minimal, nous prouvons qu'il est encore possible, à cet ordre, de définir une théorie quantique correcte en modifiant, à l'ordre \hbar, la métrique de l'espace cible de façon finie. Dans la seconde partie, nous construisons de façon explicite, grâce au super-espace harmonique et à l'approche du quotient quaternionique, une extension quaternion-Kähler de la métrique hyper-Kähler à deux centres la plus générale. Elle possède le groupe d'isométrie U(1) X U(1) et contient comme cas particuliers les extensions quaternion-Kähler des métriques de Taub-NUT et d'Eguchi-Hanson. Elle fait aussi apparaître un paramètre supplémentaire qui disparaît dans la limite hyper-Kähler.

Les thématiques abordées dans ce mémoire illustrent deux spécificités des gaz ultrafroids d'Hélium métastable : la possibilité de comparer les résultats expérimentaux à des évaluations théoriques précises (niveaux d'énergie, potentiels d'interaction) et une méthode de détection originale fournie par les ionisations Penning. Nous présentons la construction et la caractérisation d'un nouveau piège magnétique offrant un large accès optique et permettant ainsi de combiner la production d'un condensat de Bose-Einstein et son chargement in situ dans un réseau optique 3D. Les fondements théoriques des expériences prévues dans ces potentiels optiques sont ensuite détaillés. Dans un piège dipolaire croisé, l'influence du champ magnétique, devenu un paramètre libre, sur les taux de collisions Penning peut être mesurée et comparée à une nouvelle évaluation théorique. Concernant l'Hélium dans des réseaux optiques, deux sujets sont développés : l'effet du confinement sur les collisions inélastiques Penning (réseau 1D), ainsi que la modélisation des pertes Penning dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif (réseau 3D). Enfin, nous présentons la première mesure directe de la transition dipolaire magnétique 23S1 vers 23P2, liant les familles singulet et triplet de l'Helium 4. Cette expérience de spectroscopie, réalisée en collaboration avec le groupe de W. Vassen (LaserLab - Amsterdam), allie le domaine des atomes froids aux techniques des peignes de fréquences, afin d'obtenir une précision de 5 kHz.

Les techniques de refroidissement laser ont réalisé des progrès immenses depuis le début des années 80. Affranchis de toutes les incertitudes inhérentes au mouvement thermique, les physiciens sont désormais en mesure de réaliser des dispositifs de mesure toujours plus précis, tels des horloges ou des gravimètres, en s'appuyant sur l'interaction parfaitement contrôlée entre le champ électromagnétique et de simples nuages d'atomes. De plus en plus, l'utilisation d'atomes ou d'ions comme ultime porteurs d'information apparait comme une solution plausible à la réalisation d'ordinateurs quantiques. Dans cette optique, de nombreux efforts sont consentis afin de miniaturiser, de simplifier, et de rendre possible la production en masse de cette technologie permettant de manipuler les atomes avec tant de précision. L'introduction des puces à atomes a permis de réaliser un grand pas dans cette direction, réduisant drastiquement l'encombrement et le coût des expériences de refroidissement d'atomes. Désormais, la réalisation de dispositifs sur puce permettant d'étendre les possibilités de manipulation des atomes piégés est devenue un objectif majeur. <br> Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec un mode de cavité optique dans le régime de couplage fort. La cavité optique est directement intégrée à la puce à atomes. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. La détection en tant que telle permet de mesurer l'état hyperfin de l'atome, en perturbant son état externe nettement moins qu'un système de détection fonctionnant en espace libre. <br> Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première à être effectuée avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins $\s{F=1}$ et $\s{F=2}$ du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.

Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d'atomes uniques sur une puce à atomes intégrant un résonateur optique de haute finesse. L'atome est extrait d'un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système atome-cavité et démontrons qu'il se situe dans le régime de couplage fort. Ceci nous permet d'utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l'état hyperfin de l'atome. Nous obtenons une fidélité de détection de 99.93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L'atome reste piégé pendant la détection. Ces caractéristiques sont comparables à celles obtenues ans les expériences avec des ions piégés. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l'état interne de l'atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant en moyenne moins de 0.2. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l'état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l'état atomique d'un facteur 0.7. La détection présentée est donc proche d'une mesure projective idéale pour un système quantique à deux niveaux.

Dans ce mémoire, nous décrivons le montage d'une expérience permettant la production de condensats de Bose-Einstein d'atomes de 87Rb sur une puce à atomes, ainsi que leur séparation en deux dans un double puits de potentiel. Un système d'imagerie de précision a été développé, permettant une mesure absolue des populations avec un très faible bruit, quasiment limité par le bruit de grenaille optique. Nous avons alors mesuré la statistique des populations après séparation, et observé directement des états comprimés en nombre, jusqu'à -4.9 dB aux basses températures par rapport à un gaz de particules classiques, indépendantes. La dépendance en température des fluctuations a également été étudiée. Pour un gaz thermique, les fluctuations sont poissoniennes, résultant de la distribution de probabilité des macroétats de différences de population données. Dans le régime dégénéré, l'effet entropique favorisant les petites différences de population disparait, donnant lieu à des fluctuations super-poissoniennes, jusqu'à +3.8 dB proche de la température de transition. Aux basses températures, le coût énergétique associé aux interactions est plus important que l'énergie thermique, et favorise alors les faibles différences de population résultant en des fluctuations subpoissoniennes. Ces deux comportements sont interprétés théoriquement à l'aide d'un modèle simple, ainsi que de simulations numériques plus élaborées. Nous avons également mesuré l'évolution de la phase relative entre les deux nuages, et son brouillage dû aux interactions, permettant alors de démontrer que la séparatrice construite est cohérente.

Dans ce mémoire, nous présentons les fondements, la construction et les premiers résultats d'une nouvelle expérience qui a débuté avec ce travail de thèse. Nous démontrons la production d'un condensat de Bose-Einstein de sodium confiné dans un piège optique fortement focalisé. Nous exposons des résultats originaux sur l'état fondamental et les excitations d'un condensat dans un piège gaussien avec un unique état lié, et nous montrons comment tirer parti des interactions entre états de spin pour la génération d'états quantiques fortement corrélés. L'optimisation de l'efficacité de la somme de fréquence en cavité doublement résonnante est ensuite étudiée et mise à profit pour la réalisation d'un laser solide pour le refroidissement du sodium. A partir de deux sources laser infrarouges commerciales, jusqu'à 800 mW de lumière à 589 nm sont produits, avec une efficacité de conversion quasi-totale. Ce laser est employé pour former un piège magnéto-optique, chargé grâce à la désorption atomique induite par la lumière. Après le chargement, la pression dans l'enceinte à vide redescend à sa valeur de base en moins de 100 ms. L'optimisation du transfert des atomes dans un piège dipolaire croisé est présentée. La conception et l'utilisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique sont exposées, permettant la réalisation d'un piège dipolaire fortement focalisé, dans lequel le condensat se forme après une phase de refroidissement par évaporation. Celle-ci est caractérisée et comparée à un modèle numérique.

Les états comprimés de spin sont des états intriqués qui ont intérêt pratique dans la métrologie quantique et l'interféromètrie atomique. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les schémas réalistes pour la production des états comprimés de spin utilisant l'interaction cohérente entre les atomes froids dans un condensat de Bose-Einstein bimodal. En particulier, nous incluons les processus de décohérence tels que les pertes de particules, ainsi que la dynamique spatiale, qui limitent la compression maximale accessible dans une expérience réelle. Nous trouvons que l'effet des pertes ne peut être négligé dès que la fraction de particules perdue est de l'ordre du paramètre de compression. La solution analytique que nous trouvons, en utilisant des fonctions d'onde Monte-Carlo, nous permet d'effectuer une optimisation pour la compression de spin en ce qui concerne les paramètres de l'expérience. D'autre part, nous avons développé une méthode pour étudier la dynamique spatiale et la dynamique de spin intriquées dans un condensat bimodal, ce qui permet un traitement complet analytique dans certains cas, et peut être utilisée dans le cas général, sans nécessiter de calculs numériques lourds. Nous appliquons nos études théoriques à une expérience de compression de spin récemment réalisée avec succès sur une puce à atomes. Enfin, nous étudions la compression de spin dans un système lié mais différent d'un BEC avec deux modes spatiaux couplés de façon cohérente par effet tunnel. Nous étudions ce problème avec un modèle dynamique à deux modes pour T << Tc et avec une approche multimode à l'équilibre thermique pour T ~ Tc.