Ce travail de thèse concerne d'une part l'étude théorique et expérimentale des effets coopératifs dans les nuages d'atomes froids dilués et, d'autre part, le développement d'un piège dipolaire pour comprimer le nuage vers les régimes denses afin d'étudier la compétition entre les effets coopératifs et la localisation forte. Le premier chapitre montre comment un système de N atomes interagissant via le champ électromagnétique donne naissance aux effets coopératifs : superradiance, sousradiance, déplacement de Lamb collectif. En considérant la situation où les atomes sont pilotés par un champ laser extérieur, nous montrons comment les effets coopératifs se manifestent et calculons la force de pression de radiation collective s'exerçant sur le centre de masse du nuage. Le phénomène de sousradiance est ensuite étudié en considérant la relaxation du système après avoir coupé le laser. Le deuxième chapitre traite l'étude expérimentale des effets coopératifs en mesurant la force de pression de radiation coopérative. Les mesures sont en bon accord avec le modèle théorique développé précédemment. Enfin, le dernier chapitre décrit la réalisation d'un piège dipolaire croisé, désaccordé dans le bleu, dont la taille peut être ajustée dynamiquement pour comprimer le nuage dans les régimes de forte densité.

Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).

Cette thèse présente la production d'un gaz dégénéré de rubidium 87 dans le régime quasi bidimensionnel (2D) et l'étude des modes collectifs de ce gaz. Nous montrons que le gaz quasi-2D peut être amené en dessous du seuil de la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous montrons le caractère superfluide du gaz dégénéré par la présence des modes quadrupolaire et ciseaux, dont nous mesurons les fréquences d'oscillation. Son caractère bidimensionnel est vérifié par la mesure de la fréquence du mode monopolaire. Nous mettons en évidence l'influence du confinement transverse et de la troisième dimension sur la fréquence de ce mode. Pour produire le superfluide, un condensat de Bose-Einstein est d'abord produit dans un piège quadrupolaire bouché par un faisceau laser très désaccordé et soigneusement optimisé pour réduire les pertes Majorana par renversement de spin. Le condensat est ensuite transféré vers un "piège habillé", c'est-à-dire un potentiel adiabatique dans lequel les atomes sont habillés par un champ radiofréquence. Pour rendre le piège plus anisotrope, le gradient magnétique est augmenté au maximum, ce qui nous permet d'explorer le régime quasi-2D pour le gaz de Bose. Les deux types de piège utilisés sont caractérisés en détail. Nous tirons parti de la souplesse du potentiel adiabatique pour exciter et étudier les modes collectifs.

L’objectif principal de cette thèse est l’étude théorique de mélanges quantiques fortement interagissants à une dimension et soumis à un potentiel externe harmonique. De tels systèmes fortement corrélés peuvent être réalisés et testés dans des expériences d’atomes ultrafroids. Leurs propriétés de symétrie par permutation non triviales sont étudiées, ainsi que leurs effets sur les corrélations. Exploitant une solution exacte pour des interactions fortes, nous extrayons des propriétés générales des corrélations encodées dans la matrice densité à un corps et dans les distributions des impulsions associées, dans les mélanges fermioniques et de Bose-Fermi. En particulier, nous obtenons des résultats substantiels sur le comportement à courtes distances, et donc les queues à haute impulsions, qui suivent des lois en k^−4 typiques. Les poids de ces queues, dénotés contacts de Tan, sont liés à de nombreuses propriétés thermodynamiques des systèmes telles que les corrélations à deux corps, la dérivée de l’énergie par rapport à la longueur de diffusion unidimensionnelle, ou le facteur de structure statique. Nous montrons que ces contacts universels de Tan permettent également de caractériser la symétrie spatiale des systèmes, et constituent donc une connexion profonde entre les corrélations et les symétries. En outre, la symétrie d’échange est extraite en utilisant une méthode de théorie des groupes, à savoir la méthode de la somme des classes (class-sum method en anglais), qui provient à l’origine de la physique nucléaire. De plus, nous montrons que ces systèmes suivent une version généralisée du fameux théorème de Lieb-Mattis. Souhaitant rendre nos résultats aussi pertinents expérimentalement que possible, nous dérivons des lois d’échelle pour le contact de Tan en fonction de l’interaction, de la température et du confinement transverse. Ces lois présentent des effets intéressants liés aux fortes corrélations et à la dimensionnalité. / The main focus of this thesis is the theoretical study of strongly interacting quantum mixtures confined in one dimension and subjected to a harmonic external potential. Such strongly correlated systems can be realized and tested in ultracold atoms experiments. Their non-trivial permutational symmetry properties are investigated, as well as their interplay with correlations. Exploiting an exact solution at strong interactions, we extract general correlation properties encoded in the one-body density matrix and in the associated momentum distributions, in fermionic and Bose-Fermi mixtures. In particular, we obtain substantial results about the short-range behavior, and therefore the high-momentum tails, which display typical k^−4 laws. The weights of these tails, denoted as Tan’s contacts, are related to numerous thermodynamic properties of the systems such as the two-body correlations, the derivative of the energy with respect to the one-dimensional scattering length, or the static structure factor. We show that these universal Tan’s contacts also allow to characterize the spatial symmetry of the systems, and therefore is a deep connection between correlations and symmetries. Besides, the exchange symmetry is extracted using a group theory method, namely the class-sum method, which comes originally from nuclear physics. Moreover, we show that these systems follow a generalized version of the famous Lieb-Mattistheorem. Wishing to make our results as experimentally relevant as possible, we derive scaling laws for Tan’s contact as a function of the interaction, temperature and transverse confinement. These laws. Display displadisplay display interesting effects related to strong correlations and dimensionality.

Cette thèse décrit l'étude des gaz de fermions $^6$Li et de bosons<br />$^7$Li dans le régime quantique à très basse température. Le<br />refroidissement est obtenu par évaporation du $^7$Li dans un piège<br />magnétique très confinant. Puisque le refroidissement évaporatif<br />d'un gaz de fermion polarisé est quasiment impossible, le $^6$Li<br />est refroidi sympathiquement par contact thermique avec le $^7$Li.<br />Dans une première série d'expériences, les propriétés des gaz<br />quantiques dans les états hyperfins les plus élevés, piégés<br />magnétiquement, sont étudiées. Un gaz de $10^5$ fermions a une<br />température de 0.25(5) fois la température de Fermi ($T_F$) est<br />obtenu. L'instabilité du condensat pour plus de 300 atomes<br />condensés, à cause des interactions attractives, limite la<br />dégénérescence que l'on peut atteindre. Pour s'affranchir de cette<br />limite, une autre série d'expérience est menée dans les états<br />hyperfins bas, piégeable magnétiquement, où les interactions entre<br />bosons sont faiblement répulsives. Les collisions<br />inter-isotopiques permettent alors la thermalisation du mélange.<br />Le mélange d'un condensat de Bose-Einstein (CBE) de $^7$Li et d'un<br />mer de Fermi de $^6$Li est produit. Le condensat est quasi<br />unidimensionnel et la fraction thermique peut être négligeable. La<br />dégénérescence atteinte correspond à $T/T_C=T/T_F=0.2(1)$. La<br />température est mesurée à partir de la fraction thermique des<br />bosons qui disparaît aux plus basses températures, et limite notre<br />précision de mesure. Dans une troisième série d'expérience, les<br />bosons sont transférés dans un piège optique, et placé dans l'état<br />interne $|F=1,m_F=1\rangle$, l'état fondamental pour les bosons.<br />Une résonance de Feshbach est repérée puis exploitée pour former<br />un condensai où les interactions sont ajustables. Quand les<br />interactions effectives entre les atomes sont attractives, on<br />observe la formation d'un soliton brillant de matière. La<br />propagation de ce soliton sans dispersion sur une distance de<br />$1.1\,$mm est observée.

Le concept de théorie effective, en tant que modèle s'appliquant dans une certaine gamme d'énergie et/ou pour un régime restreint de paramètres, s'est enrichi des idées du groupe de renormalisation qui peut relier deux modèles a priori bien distincts par un changement continu d'échelle. L'intuition physique resurgit, même pour des problèmes d'apparence formelle, où il s'agit bien souvent de deviner les briques élémentaire, les quasiparticules, qui vont façonner le comportement physique, par exemple à basse énergie. Dans cet exposé, je soulignerai la récurrence de ce concept dans mes recherches en atomes froids et en physique mésoscopique de ces cinq dernières années. Je débuterai par une introduction aux problèmes à trois et quatre corps dans les gaz d'atomes froids où des propriétés universelles émergent lorsque les interactions entre atomes deviennent résonantes. Je parlerai ensuite des gaz de fermions fortement déséquilibrés, étudiés par exemple dans le groupe de Christophe Salomon et Frédéric Chevy au LKB, et de la pertinence de la notion de gaz de Fermi de polarons pour décrire les profils de densités observés. Je présenterai pour poursuivre les expériences de transport dans les nanotubes de carbone, comme celles réalisées au LPA dans le groupe de Takis Kontos, et le modèle Kondo pour le couplage d'une impureté aux électrons des électrodes. Je profiterai de cette occasion pour introduire l'approche de liquide de Fermi de ce problème initiée par Nozières. Je finirai mon exposé par une discussion du circuit RC quantique, un sujet auquel je me suis beaucoup intéressé ces dernières années en lien avec une expérience remarquable réalisée au LPA dans le groupe de physique mésoscopique. Je montrerai comment le concept de liquide de Fermi permet de comprendre l'apparition de résistances universelles quantifiées pour ce circuit quantique.