Nous étudions la photoassociation dans un gaz d'hélium métastable 4He(23S1) ultrafroid piégé magnétiquement : des paires d'atomes en collision interagissent avec un ou deux champs laser pour former des molécules à purement longue portée 4He2(23S1-23P0), ou longue portée 4He2(23S1-23S1).<br />Des décalages lumineux dans la spectroscopie à un photon sont observés, et étudiés en fonction de l'intensité et la polarisation du laser de photoassociation, ainsi que l'état vibrationnel de la molécule photoassociée. Ils sont le résultat du couplage lumineux entre la molécule excitée et le continuum d'états de diffusion et les états liés de l'interaction entre deux atomes métastables. Leur analyse quantitative permet de déterminer la longueur de diffusion a=7.2 ± 0.6 nm caractéristique des collisions entre atomes métastables polarisés.<br />La photoassociation à deux photons est utilisée pour mettre en évidence des molécules 4He2(23S1-23S1) polarisées et de forte élongation. Celles-ci sont qualifiées d'exotiques, puisqu'elles sont constituées de deux atomes métastables, portant chacun une énergie interne de 20 eV suffisante pour ioniser l'autre. Les formes de raies obtenues par cette spectroscopie sont calculées et décomposées en sommes et produits en profils de Breit-Wigner et de Fano associés à des processus à un et deux photons. Leur ajustement aux données expérimentales permet de déterminer la durée de vie intrinsèque de la molécule tau=1.4±0.3 ms. Nous tentons d'interpréter cette durée de vie en terme d'autoionisation Penning induite par relaxation de spin. Nous montrons que cette hypothèse implique qu'il y ait un état quasi-lié proche de dissociation dans le potentiel d'interaction singulet entre atomes métastables pour rendre compte des expériences.

L'hélium solide métastable est un candidat possible pour la supersolidité. Notre équipe a démontré en 2011 qu'on pouvait obtenir de l'hélium solide métastable à des pressions inférieures à la pression de fusion à l'aide d'une onde acoustique focalisée. Cependant, une instabilité inattendue apparaît lorsque la pression locale du crystal atteint 21 bar c'est à dire 4 bar sous la pression de fusion. J'ai donc commencé ma thèse en étudiant le temps d'apparition de l'instabilité, et j'ai confirmé qu'elle apparaît toujours dans des phases de décompression de l'onde sonore, c'est à dire à une pression inférieure à la pression de fusion. Ensuite, j'ai étudié la limite de cavitation de l'hélium superfluide à pression négative. En utilisant une méthode interférométrique développée par mon prédécesseur Fabien Souris, j'ai mesuré directement la densité de cavitation de l'hélium superfluide métastable. J'ai trouvé que, à 1 K, l'hélium superfluide cavite lorsque sa densité locale a diminué de 8.4%. En utilisant une équation d'état bien établie théoriquement, on peut convertir ce résultat en pression de cavitation pour le comparer avec ceux obtenus par d'autres groupes. À ma grande surprise, mon résultat n'est pas compatible avec ces derniers. Cette incompatibilité soulève des questions intéressantes quant à la possibilité de nucléation de la bulle sur des vortex quantifiés. Enfin, j'ai étudié la dynamique de la bulle d'hélium déclenchée par la cavitation. En analysant l'équation du mouvement de la bulle et le transfert de chaleur correspondant, j'ai expliqué avec succès pourquoi la durée de vie de la bulle a une transition dramatique quand l'hélium passe de liquide normal à superfluide. / Metastable solid helium is a possible candidate for supersolidity. In 2011, our group has demonstrated that we could obtain the metastable solid helium at pressures below the melting pressure using a focused acoustic wave. However, an unexpected instability occurs when the local pressure of the crystal reaches 21 bar which is 4 bar below the melting pressure. So I started my thesis by studying the appearance time of the instability, and I confirmed that it always appears at the low pressure swing of the acoustic wave. Then, I studied the cavitation limit of superfluid helium at negative pressure. Using an interferometric method developed by my predecessor Fabien Souris, I directly measured the cavitation density of metastable superfluid helium. I found that at 1 K, superfluid helium cavitates when its local density is lowered by 8.4%. Using a theoretically well-established equation of state, this result can be converted to a cavitation pressure in order to compare our results with those obtained by others groups. To my surprise, my result is not consistent with the others'. This incompatibility raises interesting questions about the possibility of nucleation of the bubble on quantified vortices. Finally, I studied the dynamics of the helium bubble triggered by cavitation. By analyzing the equation of motion of bubble and the corresponding heat transfer, I have successfully explained why the bubble's lifetime has a dramatic transition as the helium passes from normal liquid to superfluid.

La nécessité de synchroniser les différentes étapes des protocoles d’information et de communication quantiques implique l’utilisation de mémoires quantiques. Différents systèmes physiques sont aujourd’hui explorés, parmi lesquels les ions en matrice cristalline, les atomes froids et les vapeurs atomiques. Le protocole de stockage le plus couramment utilisé se fonde sur le phénomène de Transparence Electromagnétiquement Induite (EIT) : une impulsion lumineuse est gravée dans la cohérence Raman entre les deux états fondamentaux d’un système atomique à trois niveaux en Lambda. Bien qu’elle ouvre des perspectives prometteuses, en termes d’efficacité, de fidélité et de temps de stockage, cette technique est néanmoins sensible aux effets déphasants, tels que des gradients de champs magnétiques.Dans ce mémoire, j’étudie tout d’abord le stockage d’impulsions lumineuses classiques par EIT dans une vapeur d’hélium métastable à température ambiante. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec les simulations numériques des équations de Maxwell-Bloch complètes du système et montrent notamment l’existence d’une phase supplémentaire acquise par l’impulsion restituée en configuration désaccordée. Cette phase s’explique par la propagation du faisceau sonde dans un milieu dispersif. Dans une deuxième partie, je mets expérimentalement en évidence, dans le même système, une nouvelle forme de stockage basée sur le phénomène d’Oscillations Cohérentes de Population (CPO), par nature plus robuste aux effets déphasants que l’EIT. Les simulations numériques permettent d’analyser plus précisément les mécanismes à l’œuvre dans une mémoire CPO et, notamment, l’influence de la phase relative entre les faisceaux signal et de couplage sur les efficacités de stockage. / The need to synchronise quantum information and communication protocols implies the use of quantum memories. Different physical systems are investigated nowadays, among which ions in crystals, cold atoms and atomic vapours. The most common protocol is based on the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) phenomenon: a light pulse is engraved in the Raman coherence of both ground states of an atomic Lambda–type three-level system. Though it opens promising perspectives, with respect to efficiency, fidelity and storage time, this technique is, however, sensitive to dephasing effects such as magnetic field gradients.In this thesis, I first study the storage of classical light pulses via EIT in a room- temperature metastable helium vapor. The obtained experimental results agree with the numerical simulation of the complete Maxwell-Bloch equations of the system. In particular, the existence of an extra phase acquired by the retrieved pulse is demonstrated in the detuned configuration, which can be explained by the propagation of the signal beam in the medium. In the second part, I experimentally isolate, in the same system, a new storage protocol based on the Coherent Population Oscillation (CPO) phenomenon, which is by nature more robust than EIT to dephasing effects. The numerical simulations allow us to precisely analyse the mechanisms involved in a CPO memory and, in particular, the influence of the relative phase between the signal and coupling beams on the storage efficiencies.

Ce mémoire de thèse décrit la création expérimentale et la caractérisation d'une source de paires d'atomes corrélés. Cette source ajustable repose sur l'utilisation du mélange à quatre ondes dans un réseau optique. Les paires ainsi créées sont similaires aux paires de photons produites par conversion paramétrique et ouvrent la porte à la réalisation d'expériences élaborées d'optique atomique quantique. En plaçant un condensat de Bose-Einstein dans un réseau en mouvement, les conditions d'accord de phase sont vérifiées et des atomes jumeaux sont alors produits spontanément. Grâce à un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions nous avons pu caractériser la source de paires obtenue. Nous avons ainsi étudié en profondeur les conditions d'accord de phase, prouvant que les atomes sont diffusés de manière préférentielle dans deux fines classes de vitesses qui conservent l'impulsion et l'énergie. En modifiant la vitesse et la durée du réseau par rapport aux atomes, il est possible de choisir les modes de sorties et leurs populations ce qui rend ce processus ajustable. De plus, nous avons pu mettre en évidence l'importance des interactions et en particulier des effets de champ moyen qui viennent modifier la conservation de l'énergie. La détection d'atome unique permet également d'étudier les propriétés statistiques des atomes jumeaux, nous avons ainsi pu mettre en évidence de fortes corrélations entres les atomes issus d'une même paire. Nous avons également observé une réduction sous le bruit de grenaille du bruit sur la différence du nombre d'atomes dans les modes corrélés. Cette réduction est une indication forte du caractère non classique des paires produites / This thesis describes the experimental realization and characterization of a source of pairs of correlated atoms. This tunable source is based upon four waves mixing in an optical lattice. The created atomic pairs are similar to photon pairs made by parametric down conversion and open the way toward more elaborate quantum atom optic experiments. By placing a Bose-Einstein condensate in a moving optical lattice the phase matching conditions are fulfilled and twins atoms are spontaneously produced. Thanks to a single atom detector with three-dimensional resolution, we were able to characterize our source of pairs. By studying the phase matching conditions, we proved that the atoms are preferentially produced in two narrow velocity classes conserving both momentum and energy. By modifying the duration and the velocity of the lattice with respect to the atoms, one can tune the output modes and their populations providing a fully tunable process. Moreover, we have demonstrated the important effect of interactions -especially of mean field effects- that modifies the energy conservation. The single atom detection provided also a convenient way to look at statistical properties of the twins atoms: we have demonstrated strong correlation between atoms from the same pair and also we have observed a reduction below the shot noise of the noise on the number of atoms in correlated modes. Such a reduction is a strong indication of the non-classical nature of the produced atomic pairs.

Cette thèse décrit le travail accompli au cours des trois dernières années sur la nouvelle expérience d’Hélium métastable de l'Institut d'Optique à Palaiseau.Le premier chapitre décrit une étude visant à améliorer à la fois l'efficacité et la précision du système de détection par galettes à micro-canaux (MCP). Nous avons fait des mesures avec des galettes recouvertes d'une couche d'or sur la face avant, obtenant un accroissement de l'efficacité de détection mais également une réduction de la précision. L'ajout d'une tension intermédiaires entre les deux galettes empilées a au contraire améliorer à la fois l'efficacité et la précision des MCP, en l’absence d’une couche d’or.Le deuxième chapitre est consacré à la construction de l'appareil expérimental pour le refroidissement et le piégeage d’atomes. L’excitation de l'état fondamental de l’Hélium à l'état métastable est décrite, ainsi que la collimation et le refroidissement ultérieur par Zeeman lent du faisceau atomique chaud résultant. Le faisceau ralenti est alors capturé dans un piège magnéto-optique (PMO), dans lequel nous avons capturé 8x108 atomes.Dans le troisième chapitre une étude originale du refroidissement Doppler tridimensionnel dans un PMO et une mélasse désaccordée vers le rouge de la transition atomique est discutée. L’atome d’Hélium métastable est unique et ses propriétés ont permis une telle étude. En effet, les faibles densités atomiques impliquent qu’il n'y a pas de diffusion multiple de photons d’une part, et la faible masse et la faible largeur de la transition 23S1 -> 23P2 rend inefficace les processus de refroidissement sous la limite Doppler. Ces conditions nous ont permis d’observer pour la première fois à trois dimensions un gaz refroidit dans le régime Doppler.Le quatrième chapitre présente une étude sur les collisions dans un piège magnéto-optique d’Hélium métastable. Les collisions Penning induites par la lumière, en particulier à des intensités élevées et à des fréquences proches de la fréquence de transition, sont responsables de pertes élevées d’atomes piégés. Nous mesurons le coefficient de taux associé à ces pertes, Ksp = 2,8 ± 0,4 x 10-7cm3/ s. / This thesis describes the work done over the past three and a half years on the new metastable helium experiment at the Institut d'Optique in Palaiseau. In the first chapter it describes a study to improve both the efficiency and the accuracy of the Microchannel Plate (MCP) detection system. We have experimented with adding a gold layer on the top of the input plate, something that we have found increases the efficiency but also decreases the accuracy. The addition of a voltage between the two stacked plates has been shown to both raise the efficiency and improve the accuracy in non-coated MCPs.The second chapter is devoted to the construction of the experimental apparatus. Here the excitation of ground state helium to its metastable state is described, as well as the subsequent collimation and cooling by Zeeman slower of the resulting hot atomic beam. The slowed beam is then captured in a Magneto-Optical Trap, in which we have captured 8x108 atoms.In the third chapter an original study on three-dimensional Doppler cooling in a red-detuned molasses and in the Magneto-Optical trap is presented. The metastable helium system is unique as there is no multiple scattering of photons and there are no sub-Doppler effects. This allows for a never before seen experimental realisation of pure Doppler cooling theory. The fourth chapter describes a study on collisions in a magneto-optical trap of metastable helium. Light-induced Penning collisions are responsible for high trap losses at high intensities and at frequencies close to the transition frequency. We measure the constant rate coefficient to Ksp = 2.8 ± 0.4 x 10-7cm3/s.

Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques. Nous produisons un laser à atomes de 87 Rb par couplage optique Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l'effet de la gravité. Nous montrons qu'à l'inverse d'une méthode d'extraction Radio-Fréquence l'impulsion transférée aux atomes permet de réduire la divergence et d'améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée. La dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF est également étudiée théoriquement. Nous détaillons ensuite les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d'hélium métastable (4He* ). Nous décrivons l'ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu'à leur transfert dans un piège dipolaire ou un réseau optique. L'ajout d'un multiplicateur d'électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piége magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d'atomes 4He* et le transférer, in-situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.

Ce mémoire présente de nouvelles approches expérimentales et théoriques du refroidissement laser sub-recul par résonances noires. L'énergie de recul est l'énergie cinétique communiquée à un atome initialement immobile par l'absorption ou l'émission d'un seul photon. C'est une échelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la première fois en 1988, sur un jet d'hélium métastable, grâce à la méthode des résonances noires sélectives en vitesse. Ce travail porte sur les développements de cette méthode, d'une part dans le régime des temps longs, d'autre part à plusieurs dimensions. Le nouveau schéma expérimental repose sur la réalisation d'un piège laser d'atomes d'hélium métastables ultrafroids, à partir duquel on lâche en chute libre le nuage d'atomes piégés, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnétiques ont été compensés à un milligauss près par des expériences d'effet Hanle mécanique. Les premières expériences effectuées avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantième de l'énergie de recul (100 nanokelvins) à une dimension. La limite du recul à deux dimensions a pu être franchie pour la première fois (un vingtième de l'énergie du recul, soit 200 nanokelvins) Sur le plan théorique, on a développé un nouveau type de simulations Monte-Carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la résolution des équations de Bloch optiques On a pu explorer ainsi le régime des temps longs. Ces simulations ont suggéré une approche statistique complètement nouvelle du problème, basée sur les statistiques de Lévy récemment introduites pour étudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture prédisant une décroissance de la température atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit également des résultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le rôle de la dimensionnalité.

Ce mémoire de thèse présente une nouvelle méthode de mesure de la température d'atomes ultra-froids à-partir de la fonction d'autocorrélation spatiale des paquets d'ondes atomiques. Nous déterminons ainsi la température d'atomes d'hélium 4 métastables refroidis par résonances noires sélectives en vitesse, une méthode qui refroidit les atomes en dessous de la température de recul liée à l'émission ou l'absorption d'un seul photon par un atome au repos. Un atome ainsi refroidi est préparé dans une superposition cohérente de deux paquets d'ondes d'impulsions moyennes opposées, initialement superposés et qu'on laisse ensuite se séparer. En mesurant la décroissance temporelle de leur recouvrement, nous avons accès à la transformée de Fourier de la distribution d'impulsion des atomes. Nous pouvons ainsi mesurer des températures aussi basses que 5 nK, soit 800 fois plus petites que la température de recul. Par ailleurs nous étudions en détail la forme exacte de la distribution d'impulsions et comparons les résultats expérimentaux avec deux approches théoriques différentes : une simulation Monte Carlo quantique et un modèle analytique du refroidissement basé sur les statistiques de Lévy. Nous comparons la forme de raie calculée avec les résultats des simulations puis confrontons séparément chacune des approches théoriques aux données expérimentales. Un très bon accord est trouvé entre tous ces résultats. Nous démontrons ainsi la validité du modèle statistique du refroidissement subrecul et, pour la première fois, mettons en évidence expérimentalement certaines de ces caractéristiques, comme l'absence d'état stationnaire, l'autosimilarité et le caractère non lorentzien de la distribution d'impulsion des atomes refroidis, tous ces aspects étant en relation directe avec le caractère non ergodique du refroidissement subrecul.

Ce mémoire de thèse décrit la création expérimentale et la caractérisation d'une source de paires d'atomes corrélés. Cette source ajustable repose sur l'utilisation du mélange à quatre ondes dans un réseau optique. Les paires ainsi créées sont similaires aux paires de photons produites par conversion paramétrique et ouvrent la porte à la réalisation d'expériences élaborées d'optique atomique quantique. En plaçant un condensat de Bose-Einstein dans un réseau en mouvement, les conditions d'accord de phase sont vérifiées et des atomes jumeaux sont alors produits spontanément. Grâce à un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions nous avons pu caractériser la source de paires obtenue. Nous avons ainsi étudié en profondeur les conditions d'accord de phase, prouvant que les atomes sont diffusés de manière préférentielle dans deux fines classes de vitesses qui conservent l'impulsion et l'énergie. En modifiant la vitesse et la durée du réseau par rapport aux atomes, il est possible de choisir les modes de sorties et leurs populations ce qui rend ce processus ajustable. De plus, nous avons pu mettre en évidence l'importance des interactions et en particulier des effets de champ moyen qui viennent modifier la conservation de l'énergie. La détection d'atome unique permet également d'étudier les propriétés statistiques des atomes jumeaux, nous avons ainsi pu mettre en évidence de fortes corrélations entres les atomes issus d'une même paire. Nous avons également observé une réduction sous le bruit de grenaille du bruit sur la différence du nombre d'atomes dans les modes corrélés. Cette réduction est une indication forte du caractère non classique des paires produites

Cette thèse étudie deux caractéristiques de l'atome hélium métastable importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une première partie, on mesure le taux de pertes à deux corps dans un piège magnéto-optique. Ces pertes, accentuées en présence d'une irradiation quasi-résonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes métastables. On mesure le taux de pertes en étudiant l'évolution du nombre d'atomes dans le piège magnéto-optique par observation de la fluorescence ou des ions produits par les collisions. Nous étudions aussi les variations de ce taux en fonction du désaccord des lasers piège. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description des expériences de mesurer les taux de transition des raies intercombinaison: 2^3P_1 vers 1^1S_0 et 2^3P_2 vers 1^1S_0. Le taux 2^3P_1 vers 1^1S_0 est mesuré en excitant une petite fraction d'atomes contenus dans un piège magnéto-optique vers l'état 2^3P_1. On observe une baisse de la durée de vie du piège magnéto-optique qui est la signature de la fuite vers l'état fondamental. Dans une deuxième expérience, on mesure le rapport des taux de transition de 2^3P_2 et 2^3P_1 vers 1^1S_0 en effectuant le rapport des flux de photons UV associés à la transition.