L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance.<p>Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport a l'état précédent. Une sensibilité de 2×10^-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques.<p>L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces a faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2×10^-5 g/√Hz sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 µm. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés a été effectuée, qui sera utile pour les mesures futures.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques.

Les mesures habituelles en optique détruisent les photons<br />incidents pour convertir leur énergie en un signal détectable.<br />Cette destruction n'est cependant pas imposée par les lois<br />quantiques fondamentales et des stratégies de mesure quantique<br />non-destructive ont été proposées qui permettent la mesure répétée<br />de champs électromagnétiques. Nous présentons la détection sans<br />absorption d'un seul photon stocké dans une cavité micro-onde<br />supraconductrice. Nous utilisons à cette fin des atomes de Rydberg<br />circulaires, très fortement couplés au champ. Durant son<br />interaction avec le mode de la cavité, un atome est capable<br />d'absorber un photon puis de le réémettre. Il s'agit des<br />oscillations de Rabi quantiques. À la fin de ce cycle<br />absorption--émission, le photon est encore présent dans la cavité<br />mais le système atome--champ a gardé une trace de son évolution<br />dans la phase de sa fonction d'onde qui a tourné de 180°. Nous<br />détectons ce déphasage grâce à un dispositif d'interférométrie<br />atomique. Un ensemble d'expériences permet de prouver les<br />corrélations entre l'atome et l'état du champ et le caractère<br />non-destructif de la mesure. Une analyse précise des performances<br />du dispositif et de ses applications possibles pour l'optique<br />quantique est menée.

Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.

Le condensat de Bose-Einstein, équivalent atomique du laser en optique, est habituellement considéré comme un objet complètement cohérent. Mais ceci n'est vérifié que dans le cas de systèmes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allongés, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une réduction de la longueur de cohérence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce mémoire, nous présentons deux études expérimentales portant sur la cohérence de condensats très allongés. La première étude a été réalisée sur des condensats à l'équilibre. La mesure de la longueur de cohérence a été effectuée par l'intermédiaire de la mesure de la fonction de corrélation à l'aide d'une méthode interférométrique. Nos résultats montrent la transition entre un condensat cohérent et un quasi-condensat, avec une longueur de cohérence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observé le passage d'une forme gaussienne à une forme exponentielle pour la fonction de corrélation. La deuxième étude a porté sur la formation du condensat avec plus particulièrement l'étude de la cinétique de formation de la cohérence en phase. Nos résultats montrent tout d'abord une montée de la fraction condensée qualitativement identique à celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesuré la longueur de cohérence au cours de cette formation à l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos résultats montrent un établissement de la cohérence rapide comparé au temps de mise à l'équilibre de la fraction condensée.

La famille des phases géométriques d'origine électromagnétique est formée de la phase Aharonov-Bohm (AB) prédite en 1959 et des phases Aharonov-Casher (AC) et He-McKellar-Wilkens (HMW) prédites en 1984 et 1993-1994 respectivement. Si la phase AB et la phase AC ont été rapidement observées expérimentalement, la phase HMW n'a été détectée qu'en 2011 par notre équipe au cours de la thèse de S. Lepoutre. La phase AC apparaît quand un dipôle magnétique interagit avec un champ électrique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle et la phase HMW, reliée à la phase AC par la dualité de Maxwell, apparaît quand un dipôle électrique interagit avec un champ magnétique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle. Cette thèse présente la mesure de ces deux phases à l'aide d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder fonctionnant avec l'atome de lithium 7Li et utilisant la diffraction de Bragg par des ondes stationnaires laser. Dans ce manuscrit, je commence par présenter l'interféromètre atomique puis je décris le pompage optique du jet atomique de lithium dans un seul sous-niveau Zeeman-hyperfin F = 2,MF = +2 (ou −2) et la caractérisation de son efficacité qui est voisine de 95 ± 5%. Ce pompage a rendu indétectables les effets systématiques qui avaient compliqué la première détection de la phase HMW. Je présente ensuite les mesures des phases AC et HMW qui sont petites, de l'ordre de quelques dizaines de milliradians dans les conditions de cette expérience, avec une incertitude inférieure 10%. En variant la vitesse moyenne des atomes entre 750 m/s et 1500 m/s, nous avons observé que ces deux phases sont bien indépendantes de la vitesse ce qui prouve leur caractère géométrique.

Ce manuscrit présente une série d'expériences réalisées sur des atomes de Rubidium piégés et refroidis grâce à des forces induites par laser. Lorsque le laser est très désaccordé par rapport aux résonances de l'atome, la force exercée est conservative et l'on parle de potentiels lumineux. Dans un premier temps, nous présentons un piège optique basé sur ce principe, créé par un laser à 1565 nm. Dans ce piège, les atomes sont refroidis par évaporation jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, dans le régime d'emballement. Dans ce régime la densité augmente au cours du refroidissement ce qui rend la procédure plus efficace. Nous présentons ensuite deux expériences dans lesquelles le condensat est placé dans un trampoline à atomes vertical. Ce trampoline résulte de l'application périodique d'un potentiel lumineux formé par une onde stationnaire verticale. Nous étudions deux régimes de fonctionnement de ce système : un régime classique dans lequel les atomes rebondissent périodiquement sur l'onde lumineuse, et un régime quantique dans lequel les ondes de matière atomiques sont en plus séparées par les pulses et suivent des trajectoires différentes qui se recombinent périodiquement, donnant lieu à des interférences. Dans les deux cas, notre système peut être utilisé comme gravimètre. Enfin, nous plaçons notre condensat dans un potentiel très confinant dans la direction verticale, ce qui le comprime dans une géométrie bidimensionnelle. Le condensat est ensuite soumis à un potentiel lumineux aléatoire réalisé par une figure de speckle. Nous présentons une étude préliminaire des propriétés de transport du nuage dans le plan, en présence du potentiel aléatoire.

Cette thèse expérimentale utilise un interféromètre atomique fonctionnant avec l'atome de lithium. Trois ondes laser stationnaires quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium à 671 nm diffractent l'onde atomique dans le régime de Bragg et réalisent des séparatrices et des miroirs dans la configuration géométrique de Mach-Zehnder. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés dans l'espace et ses performances permettent de réaliser des mesures interférométriques de précision. Cette thèse présente les résultats de deux expériences réalisées entre 2007 et 2011. La première expérience a mesuré l'interaction entre l'atome de lithium et la surface des barres d'un réseau de dimensions nanométriques (pas de 100 nm) lorsque celui-ci intercepte un des deux bras. L'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre 0 a été mesurée pour une large gamme de vitesses atomiques s'étendant de 750 à 3300 m/s. Les résultats ont permis de caractériser l'interaction atome-surface de Van der Waals. La deuxième expérience a réalisé la première détection de l'effet prédit par He, McKellar et Wilkens en 1993-1994 pour un dipôle électrique en interaction avec un champ magnétique. C'est une phase géométrique similaire à l'effet prédit par Aharonov et Bohm en 1959. Le déphasage prévu est de l'ordre de 10 mrad, ce qui est comparable à de nombreux effets parasites qu'il a fallu caractériser avec soin. Les mesures sont en bon accord avec les prédictions théoriques.

Dans ce mémoire nous présentons une étude sur les sources atomiques pour des senseurs atomiques à long temps de vol ainsi que la construction de deux sources atomiques. Dans un premier temps nous montrons que les propriétés de collimation et de cohérence nécessaires à l'interférometrie atomique à long temps de vol peuvent être fournies par les gaz atomiques dégénérés et nous explicitons le lien entre le facteur d'échelle du senseur inertiel et la géométrie de l'interféromètre. Puis, nous étudions la possibilité de conduire des expériences de senseurs inertiels par interférométrie atomique en chute libre dans un avion. La microgravité ainsi créée peut permettre d'accéder à 4 secondes de temps d'interrogation, et nous explicitons un protocole pour tester le principe d'équivalence par interférométrie atomique pendant cette période de chute libre. Nous décrivons la source d'atomes froids que nous avons construit et testé en microgravité. Enfin, nous consacrons une part importante de ce mémoire à la description d'un nouveau montage expérimental dont le but est de produire un mélange bosons-fermions dégénéré. Nous décrivons et caractérisons les technologies développées, telles que les nouveaux lasers semiconducteurs accordables et le piège optique compressible. Nous présentons les premiers résultats de chargement d'atomes froids dans une pince optique utilisant un laser inédit pour le piégeage atomique, un laser à fibre à 1560nm. Nous utilisons le fort décalage lumineux, unique à notre système, pour développer une nouvelle technique d'imagerie, sélective en énergie potentielle.