Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.

Ce mémoire porte sur mes travaux de recherche à l'interface entre la physique atomique des horloges et l'instrumentation laser. Ils ont pour objectif de réaliser de nouveaux spectromètres à très haute résolution en fréquence en réalisant la spectroscopie laser de transitions atomiques faiblement permises par couplage dipolaire électrique ou complètement interdites à des fréquences de référence de plusieurs centaines de térahertz. Après avoir brièvement rappelé la structure hyperfine et magnétique de la transition d'horloge de l'état fondamental du césium, atome retenu depuis 1967 pour la définition de la seconde, je poursuivrai avec une étude détaillée, théorique et expérimentale, des états magnétiques d'un spin nucléaire par spectroscopie laser de la transition d'horloge optique entre les états 1S0 et 3P0 d'une espèce fermionique possédant une configuration électronique (ns,nl) avec deux électrons de valence comme le strontium, l'ytterbium ou le mercure. Nous discuterons également l'existence d'un champ magnétique statique "magique" capable de réduire fortement le déplacement linéaire et quadratique Zeeman de la transition d'horloge grâce à l'habillage du spin nucléaire à l'aide d'un champ de radiofréquence. Le manuscrit se focalise ensuite sur la possibilité de réaliser l'interrogation de la transition interdite en préparant l'espèce bosonique, de spin nucléaire nul, dans une superposition d'états quantiques transparente à la lumière laser. Afin de garantir une préparation rapide et efficace de cette superposition d'états tout en éliminant la correction de fréquence induite par la présence de déplacements lumineux, le mémoire présente une nouvelle méthode de spectroscopie à 2 photons par résonance noire en régime impulsionnelle étendue ensuite à la spectroscopie Hyper-EIT/Raman. Le manuscrit se termine avec la présentation d'un nouveau projet de recherche sur la spectroscopie laser infrarouge en sciences atmosphériques et astrophysiques à l'interface entre la physique moléculaire et le développement instrumental d'une source laser ultra-stable en fréquence.

Ce travail porte sur la spectroscopie magnéto-optique de semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) : ZnO et GaN dopés manganese, fer et cobalt. Les deux semi-conducteurs hôtes, ZnO et GaN ont une grande bande interdite, une structure wurtzite, une faible interaction spin - orbite et une forte interaction d'échange excitonique entre trous et électrons. En présence de champs magnétiques, les ions magnétiques induisent un effet Zeeman géant dont l'interprétation est complexe : les excitons s'anti-croisent et leurs énergies de transition et leurs forces d'oscillateur sont fortement influencées par l'effet Zeeman géant.<br />On a mesuré expérimentalement le splitting Zeeman géant des excitons A et B avec des couches epitaxiées sur saphir (0001) et une propagation de la lumiere parallele a l'axe c du cristal et au champ magnétique (configuration Faraday). Le splitting Zeeman géant diminue avec la température et augmente non linéairement avec le champ magnétique en accord avec l'aimantation calculée des spins isolés. Une analyse quantitative nous a permis d'analyser les propriétés magnétiques et de mesurer les intégrales d'échange pour l'ensemble des matériaux étudiés. Pour des ions avec une configuration d5 (Mn2+ et Fe3+), l'aimantation suit une fonction de Brillouin, mais pour les configurations d7 et d4 (Co2+ ou Mn3+) l'interaction spin-orbite et le champ cristallin trigonal induisent une aimantation anisotrope, en accord avec l'analyse des transitions internes des ions mesurées en spectroscopie infrarouge. Pour (Ga,Mn)N, et (Ga,Fe)N, nous avons trouvé un signe positive pour l'intégrale d'échange entre trous et spins localisés (beta). En supposant une symétrie de la bande de valence dans ZnO correspondant a une interaction spin-orbite positive (Gamma_9, Gamma_7, Gamma_7), nous trouvons un signe négative de beta pour (Zn,Co)O, et beta est de pres de zéro pour (Zn,Mn)O. Toutefois, dans l'hypothese avec spin-orbite négative, nous trouvons un signe positif de beta. Les signes et les valeurs des intégrales d'échange déterminées a partir de nos mesures magnéto-optiques ne peuvent pas etre expliqués par des tendances matérielles et des modeles basés sur l'approximation de cristal virtuel. Ceci suggere que l'échange p-d en DMS a large bande interdite, soit dans le régime de couplage fort, et la nature de splitting Zeeman géant observé est différente qu'en semi-conducteurs magnétiques dilués classiques.

Cette thèse s'appuie sur la spectroscopie de NiH établie à la fin des années 1980 et au début des années 1990, principalement par le groupe du Pr. R. W. Field au MIT. Les mesures expérimentales ont amélioré de manière significative les travaux antérieurs, tant en spectroscopie en champ nul qu'en spectroscopie Zeeman. Le radical NiH est obtenu avec une source à décharge à température ambiante (310 K). Les radicaux formés dans la décharge sont excités par un laser continu à colorant et étudiés soit en spectroscopie d'excitation laser soit en fluorescence dispersée. Un circuit magnétique à aimants permanents (NdFeB) fournit un champ magnétique statique (0.4 – 0.9 T). En champ nul, les spectres de fluorescence par transformée de Fourier ont élargi les observations de l'état électronique fondamental jusqu'à 6000 cm-1, pour 58NiH et 60NiH. Les énergies sont modélisées avec un Hamiltonien effectif obtenu à partir du formalisme du modèle du 3d9 supermultiplet développé par le groupe de Field. Les mesures Zeeman se sont principalement concentrées sur l'étude des états Ω=3/2. Les facteurs de Landé effectifs ont été déterminés pour chaque niveau ro-vibrationnel pour les états de basse énergie et les états excités de 58NiH. L'inhabituelle dépendance en J des facteurs de Landé obtenus pour les états de basse énergie est expliquée par le modèle du supermultiplet, quantifiant alors l'ampleur des mélanges spin-orbite présents dans les états inférieurs. Les transitions étudiées ont un intérêt astrophysique depuis que plusieurs transitions d'hydrure métallique ont été observées dans les spectres d'étoiles froides et les taches solaires. / This thesis builds on the spectroscopy of NiH established in the late 1980s and early 1990s, principally by Pr. R. W. Field's group at MIT. Experimental measurements significantly extend earlier work, both in field-free and Zeeman spectroscopy. The NiH radical is obtained with a room-temperature metal-hydride discharge source (310 K). Radicals formed in the discharge are excited by a single-mode, continuous wave dye laser and can be conveniently studied either in laser excitation or in dispersed fluorescence. A magnetic circuit with permanent magnets (NdFeB) provides a static magnetic field (0.4 – 0.9 T). In the field-free regime, Fourier transform resolved fluorescence spectra have extended the range of observations up to 6000 cm-1 above v=0 of the electronic ground state, for 58NiH and 60NiH. Energies are modeled with an effective Hamiltonien matrix using the 3d9 supermultiplet formalism developed by Field's group. Zeeman measurements have focused mainly on the range of states studied by including transitions involving the Ω=3/2 excited states. Effective Landé factors have been determined for individual ro-vibrational levels of low-lying and excited states of 58NiH. The unusual J-dependence of the Landé factors obtained for low-lying states are explained by the 3d9 supermultiplet model, quantifying the extent of spin-orbit mixing present in the lower states. The transitions are of potential astrophysical interest since several transition metal hydrides have been observed in the spectra of cool stars and sunspots.

Ce travail montre l'intérêt, par deux aspects, des semiconducteurs semimagnétiques CdMnTe pour l'étude des propriétés structurales, magnétooptiques et électroniques des puits quantiques II-VI. La première partie est consacrée à la caractérisation des interfaces CdTe/CdMnTe dans des puits quantiques asymétriques. Le large effet Zeeman dû à l'interaction d'échange porteurs-Manganèse de la transition excitonique fondamentale, déterminé par des mesures de magnétoréflectivité et d'effet Kerr, permet une analyse précise du profil de concentration du Manganèse à proximité de l'interface. Nous mettons ainsi en évidence le mécanisme de ségrégation qui résulte l'échange d'atomes entre deux monocouches adjacentes en cours de croissance. Dans la seconde partie, l'effet Zeeman géant de la bande de conduction est utilisé pour polariser totalement le spin des électrons d'un gaz bidimensionnel de densité intermédiaire présent dans un puits quantique semimagnétique. Cette propriété permet de découpler les phénomènes dépendant et non-dépendant du spin des électrons et d'étudier ainsi les effets à N corps au sein d'un gaz d'électrons bidimensionnel. L'analyse des mesures de magnéto-transmission inter-niveaux de Landau met en évidence la création de paires électron-trou liés par l'interaction coulombienne. L'énergie de liaison de ce complexe est toutefois fortement réduite par deux mécanismes dus au gaz d'électrons : l'écrantage et le remplissage de l'espace des phases. Un autre effet à N corps est manifeste : l'interaction d'échange électron-électron qui permet d'expliquer, conjointement avec l'interaction d'échange porteurs-Manganèse, la polarisation complète du gaz à un faible champ magnétique. Un modèle au premier ordre, incluant ces trois effets, reproduit le comportement des énergies des transitions en champ.

L’effet de la transparence induite électromagnétiquement est observée à l’aidede cellules nanométriques et de cellules micrométriques. La résonance EIT avec de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) est obtenue dans des cellules étroites. L' éclatement de la résonance EIT dans un champ magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons un modèle théorique qui explique la dépendance du déplacement en fréquence des composantes de la résonance EIT en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord.Pour la première fois une résonance de type N est obtenue dans une micro-cellule. Nous obtenons de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) dela résonance N à l’aide d’une micro-cellule. Cela nous permet d’observer le comportement d’une résonance N dans un champ magnétique. L’éclatement de la résonance N dans unchamp magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons les calculs théoriques qui expliquent la dépendance du déplacement en fréquence des composantes dela résonance N en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord. Le comportement de la résonance N en régime hyperfin Paschen-Back est présenté et expliqué. Enfin une comparaison des résonances EIT et N est faite / The effect of electromagnetically induced transparency is observed, using nanocelland microcell. The EIT-resonance with good parameters (high contrast and small FWHM) is obtained in thick cells. The EIT-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of D1-line of 85Rb and 85Rb. The theoretical model, explaining the EIT-resonance components frequency shift dependence on magnetic field strength is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the EIT-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. For the first time the N-type resonance in microcell is observed. Good parameters of theN-type resonance in microcell are obtained. It allows us to observe the N-type resonance behavior in magnetic field. The N-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of 85Rb and 85Rb. The theoretical calculations of the N-resonance components frequency shift dependence on magnetic field is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the N-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. Simultaneous observation of N- and EIT-resonance is shown. Comparison of EIT- and N-resonance is made

A l'aide d'un spectre de fluorescence de résonance à bande étroite obtenu avec une nano-cellule d'épaisseur L= [lambda]/2 et des résonances VSOP formées pour une épaisseur L =[lambda] ([lambda] est la longueur d'onde de la radiation résonnante), cette thèse présente pour la première fois une étude expérimentale du comportement en fréquence et en intensité (probabilités de transition) des transitions atomiques de la structure hyperfine entre sous-niveaux Zeeman des raies D1 and D2 pour le 85Rb et le 87Rb en présence de champs magnétiques extérieurs compris entre 5 et 7000 G. Le comportement d'une dizaine de transitions atomiques inétudiées à ce jour a été analysé et nous avons démontré que l'intensité de ces raies peut montrer alternativement de grandes variations : jusqu'à un facteur 10 de taux de croissance ou de décroissance. Pour la première fois, nous avons parfaitement enregistré des résonances VSOP dans le cas où un gaz tampon (néon de pression partielle 6 torr) est introduit dans la nano-cellule d'épaisseur L =[lambda], alors que l'addition d'un gaz tampon (néon) même à une pression partielle de 0,1 torr, dans une cellule d'épaisseur centimétrique conduit à une complète disparition de ces résonances VSOP obtenues par la méthode usuelle d'absorption saturée. Enfin, nous avons montré pour la première fois que la largeur spectrale d'un spectre de fluorescence de résonance d'une nano-cellule de rubidium d'épaisseur L= [lambda]/2, quelques soient les pressions du gaz tampon (néon), est beaucoup plus étroite (6 à 8 fois) que celle obtenue avec une cellule centimétrique de rubidium pour les mêmes valeurs de pressions / Using a narrow-band resonant fluorescence spectra from a nano-cell with a thickness of L= [lambda]/2, and VSOP resonances formed at a thickness L =[lambda] ([lambda] is the wavelength of the resonant radiation), for the first time it was experimentally investigated the behaviour of the frequency and intensity (transition probabilities) of the atomic hyperfine structure transitions between the 85Rb, 87Rb, D1 and D2 lines Zeeman sublevels in external magnetic fields in range 5 - 7000G. The behaviour of tens of previously unstudied atomic transitions was analyzed and it is demonstrated that the intensities of these lines can both greatly increase, and decrease (tenfold). For the first time it is demonstrated that, in the case of partial pressure of neon buffer gas up to 6~torr into the nano-cell of thickness L = [lambda] filled with Rb, VSOP resonances are recorded confidently, while the addition of 0.1~torr neon buffer gas in a cell of a centimeter thickness leads to the complete disappearance of VSOP resonances formed with the help of the widely used technique of saturated absorption. It is demonstrated for the first time that the spectral width of the resonant fluorescence spectra of the rubidium nano-cell with thickness L= [lambda]/2, for all values of the neon buffer gas pressures is much narrower (6-8 times) compared with the resonant fluorescence spectra of an ordinary centimeter cell containing rubidium with the same pressures of neon