Bose-Einstein condensation (BEC) is a phenomenon in which identical bosons occupy the same quantum state below a certain critical temperature. A hallmark of BEC is the coherence between particles every particle shares the same quantum wavefunction and phase. This coherence has been demonstrated for the external (motional) degrees of freedom of the atomic condensates by interfering two condensates. In this thesis, the coherence is shown to extend to the internal spin degrees of freedom of a spin-1 Bose gas evidenced by the observed coherent and reversible spin-changing collisions. The observed coherent dynamics are analogous to Josephson oscillations in weakly connected superconductors and represent a type of matter-wave four-wave mixing. Control of the coherent evolution of the system using magnetic fields is also demonstrated. The studies on spinor condensates begin by creating spinor condensates directly using all-optical approaches that were first developed in our laboratory. All-optical formation of Bose-Einstein condensates (BEC) in 1D optical lattice and single focus trap geometries are developed and presented. These techniques offer considerable flexibility and speed compared to magnetic trap approaches, and the trapping potential can be essentially spin-independent and are ideally suited for studying spinor condensates. Using condensates with well-defined initial non-equilibrium spin configuration, spin mixing of F = 1 and F = 2 spinor condensates of rubidium-87 atoms confined in an optical trap is observed. The equilibrium spin configuration in the F = 1 manifold confirms that 87Rb is ferromagnetic. The coherent spinor dynamics are demonstrated by initiating spin mixing deterministically with a non-stationary spin population configuration. Finally, the interplay between the coherent spin mixing and spatial dynamics in spin-1 condensates with ferromagnetic interactions is investigated.

Ce mémoire de thèse est composé de deux parties. La première présente les récents résultats concernant les gaz de Bose bidimensionnels (2D). Dans un gaz de Bose 2D homogène avec interactions, malgré l'absence de condensat de Bose-Einstein à température non nulle, une transition entre une phase normale et une phase superfluide a été prédite par Berezinskii, Kosterlitz et Thouless. Notre expérience a consisté à étudier cette transition pour un gaz d'atomes dans un piège harmonique. Pour cela, nous avons coupé un condensat de Bose-Einstein tridimensionnel en deux nuages 2D indépendants. Nous avons étudié à la fois la perte de la quasi-cohérence du système au dessus d'une température critique et la prolifération de vortex libres issus de la brisure des paires vortex/antivortex présentes dans la phase quasi-cohérente. La coïncidence entre ces deux phénomènes est typique de la transition prévue par Kosterlitz et Thouless. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'une nouvelle expérience de condensation de Bose-Einstein. Les dix années d'expérience depuis la création du premier condensat d'atomes froids ont été mises à profit pour construire un montage simple et robuste. La particularité principale de ce montage est la mise en œuvre d'un transport magnétique permettant aux atomes de voyager entre deux chambres distinctes, la seconde autorisant un excellent accès optique.

Cette thèse traite de l'étude expérimentale et théorique de deux pièges radiofréquence très anisotropes pour un condensat de Bose-Einstein. Dans le premier piège, les atomes baignant dans un champ magnétique inhomogène sont habillés par un champ rf et confinés sur la surface d'un ellipsoïde iso-magnétique. Nous avons étudié la possibilité d'y observer un gaz dégénéré bidimensionnel. Le second piège a la forme d'un anneau. Il est obtenu en ajoutant au premier piège le potentiel créé par une onde stationnaire lumineuse verticale. Dans ce piège, il est théoriquement possible d'observer un gaz de Bose à une, deux ou trois dimensions simplement en modifiant le nombre d'atomes condensés.

Dans le chapitre 1, nous calculons l'infimum d'une énergie comportant un poids mesurable sur une classe d'applications à valeurs dans S2 ayant des singularités prescrites. Nous montrons qu'une telle quantité induit une distance. Ceci nous permet de calculer dans le chapitre 2, une énergie de type relaxée pour des applications à valeurs dans la sphère. La formule fait intervenir la notion de connexion minimale connectant les singularités topologiques. Dans le chapitre 3, nous étudions le modèle physique d'un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel en rotation. Nous estimons la vitesse critique de rotation pour avoir d tourbillons et nous déterminons leur position. Dans le chapitre 4, nous étudions le comportement asymptotique des minimiseurs d'une énergie de Ginzburg-Landau avec un poids dépendant du petit paramètre epsilon. Nous montrons un phénomène d'ancrage des singularités limites. Dans le chapitre 5, nous présentons quelques résutats sur la stabilisation en temps fini de processus mécaniques où un frottement sec coexiste avec d'autres types de forces donnant lieu à des oscillations dans l'absence de frottement.

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Les propriétés physiques d'un système homogène à l'équilibre thermodynamique sont fortement contraintes par sa dimensionnalité. Le gaz de Bose à deux dimensions est un système particulier de ce point de vue : bien que l'établissement d'un ordre à longue portée soit impossible à température non-nulle, il existe néanmoins une transition de phase vers un état superfluide à basse température. De plus, la dimensionalité réduite du système rend son équation d'état invariante par changement d'échalle pour de faibles interactions atomiques répulsives. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose à deux dimensions. Nous mesurons son équation d'état de deux methodes différentes, et trouvons un résultat en bon accord avec les prédictions analytiques et numériques. Ces résultats ont également permis de confirmer l'invariance d'échelle du système. De plus, l'une des méthodes ne nécessite qu'un seul paramètre ajustable pour la mesure de l'équation d'état. Nous présentons ensuite une mesure locale du caractère superfluide du gaz. À cet effet, nous avons mis en évidence l'absence de dissipation lors de la perturbation du système par un obstacle en mouvement. Enfin, nous effectuons une analyse des fluctuations du gaz de Bose 2D, qui a permis de confirmer la suppression des fluctuations de densité dans la phase superfluide, ainsi que le rôle dominant joué par les phonons dans les fluctuations de phase.

In the mid-1920s, the great Albert Einstein proposed that at extremely low temperatures, a gas of bosonic particles will enter a new phase where a large fraction of them occupy the same quantum state. This state would bring many of the peculiar features of quantum mechanics, previously reserved for small samples consisting only of a few atoms or molecules, up to a macroscopic scale. This is what we today call a Bose-Einstein condensate. It would take physicists almost 70 years to realize Einstein's idea, but in 1995 this was finally achieved. The research on Bose-Einstein condensates has since taken many directions, one of the most exciting being to study their behavior when they are placed in optical lattices generated by laser beams. This has already produced a number of fascinating results, but it has also proven to be an ideal test-ground for predictions from certain nonlinear lattice models. Because on the other hand, nonlinear science, the study of generic nonlinear phenomena, has in the last half century grown out to a research field in its own right, influencing almost all areas of science and physics. Nonlinear localization is one of these phenomena, where localized structures, such as solitons and discrete breathers, can appear even in translationally invariant systems. Another one is the (in)famous chaos, where deterministic systems can be so sensitive to perturbations that they in practice become completely unpredictable. Related to this is the study of different types of instabilities; what their behavior are and how they arise. In this thesis we compare classical and quantum mechanical nonlinear lattice models which can be applied to BECs in optical lattices, and also examine how classical nonlinear concepts, such as localization, chaos and instabilities, can be transfered to the quantum world.

Nous nous intéressons dans cette thèse à un aspect assez peu documenté de l'histoire de la théorie de la relativité restreinte, la recherche d'une vérification expérimentale de ses prédictions sur la variation de l'inertie en fonction de leur vitesse. Nous complétons les études historiques antérieures sur les expériences de Kaufmann (1906) et de Bucherer (1908), et montrons que la vérification de la formule de Lorentz-Einstein constitue encore un enjeu expérimental après 1911. Nous étudions plus particulièrement les recherches dirigées par Charles-Eugène Guye en collaboration avec ses étudiants Simon Ratnowsky (1907-1910) et Charles Lavanchy (1913-1915). Nous montrons que la seconde phase de ce travail est très largement considérée dans les années 1920 comme la vérifiation expérimentale la plus précise de la formule de Lorentz-Einstein. Nous utilisons la méthode de réplication, appliquée à l'expérience de Guye et Lavanchy. La très grande maîtrise de l'émission cathodique, associée à une méthode d'investigation spécifique, leur permet de surmonter toutes les difficultés identifiées alors comme préjudiciables au succès de ce type d'expérience.

Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des faisceaux atomiques ainsi produits ou << lasers à atomes >>. En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.

Actuellement, l'évaporation par radiofréquence en piège magnétique reste un passage obligé pour l'obtention de gaz atomiques dégénérés. Afin de piéger magnétiquement et de refroidir un gaz d'atomes de Rubidium 87, nous avons conçu un électroaimant basé sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, capable de générer de forts gradients pour une puissance électrique modeste. La première version du dispositif se caractérise par une forte valeur du champ magnétique au centre du piège, de l'ordre de 100 Gauss, pour laquelle l'effet Zeeman non linéaire lève la dégénérescence des transitions radiofréquence entre les sous-niveaux magnétiques. Nous avons étudié dans un premier temps le refroidissement évaporatif à une seule radiofréquence dans ce régime. L'évaporation n'est pas perturbée dans le niveau hyperfin F = 1, et nous avons observé la condensation de Bose-Einstein. Par contre, dans le niveau F = 2, le processus d'évaporation est inhibé, et il est impossible de condenser le gaz pour un champ magnétique supérieur à environ 15 Gauss. Dans un deuxième temps, nous avons contourné cette difficulté, soit en évaporant les atomes avec trois radiofréquences distinctes, soit en faisant du refroidissement sympathique, c'est-à-dire en maintenant les atomes dans F = 2 en contact thermique avec un nuage d'atomes dans F = 1, lui-même refroidi par évaporation. Ces deux techniques permettent d'atteindre le seuil de condensation dans F = 2 à relativement fort champ. Enfin, nous avons conçu et réalisé une deuxième version de l'électroaimant permettant de compenser le champ magnétique au centre du piège, tout en conservant l'aptitude à générer de forts gradients. Cette nouvelle génération devrait apporter une solution définitive à l'évaporation des atomes dans F = 2, et déboucher sur la réalisation d'expériences nécessitant un fort confinement ou un potentiel de piégeage très anisotrope.