The precision of mass measurements in a Penning trap is directly proportional to an ion's charge state and can be increased by using highly charged ions (HCI) from an Electron Beam Ion Trap (EBIT). By bombarding the injected and trapped singly charged ions with an intense electron beam, the charge state of the ions is rapidly increased. To use this method for short-lived isotopes, very high electron beam current densities are required of the TITAN EBIT, built and commissioned at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany and transported to TRIUMF for the TITAN on-line facility. This EBIT has produced charge states as high as Kr34+ and Ba54+ with electron beams of up to 500 mA and 27 keV. Once the EBIT is operational at full capacity (5 A, 60 keV), most species can be bred into a He-like configuration within tens of ms.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

The precision of mass measurements in a Penning trap is directly proportional to an ion's charge state and can be increased by using highly charged ions (HCI) from an Electron Beam Ion Trap (EBIT). By bombarding the injected and trapped singly charged ions with an intense electron beam, the charge state of the ions is rapidly increased. To use this method for short-lived isotopes, very high electron beam current densities are required of the TITAN EBIT, built and commissioned at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany and transported to TRIUMF for the TITAN on-line facility. This EBIT has produced charge states as high as Kr34+ and Ba54+ with electron beams of up to 500 mA and 27 keV. Once the EBIT is operational at full capacity (5 A, 60 keV), most species can be bred into a He-like configuration within tens of ms.

With only two ingredients, atomic nuclei exhibit a rich structure depending on the ordering of the different proton- and neutron-occupied states. This ordering can give rise to excited states with exceptionally long half-lives, also known as isomers, especially near shell closures. On-line mass spectrometry can often be compromised by the existence of such states that may even be produced in higher proportion than the ground state. This thesis presents the first results obtained from a nuclear spectroscopy setup coupled with the high-resolution Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP, at CERN’s radioactive ion beam facility ISOLDE. The isomerism in the neutron-deficient thallium isotopes was investigated. The data on 184,190,193−195 Tl allow an improvement of existing mass values as well as a mass-spin-state assignment in 190,193,194 Tl. Due to the presence of the ground and isomeric state for 194 Tl the excitation energy of the latter was determined for the first time experimentally. Systematic trends in the vicinity of the Z = 82 shell closure have been discussed.

This thesis reports on the setup of a new ion trap apparatus designed for experiments with single ⁴⁰Ca⁺ ions to perform molecular spectroscopy. The calcium ion is laser cooled, allowing for sympathetic cooling of the nonfluorescing molecular ion. The aim of these experiments is to explore loading and identifying molecular ions in RF-Paul traps, as well as developing new spectroscopic tools to measure transitions of molecular ions via the fluorescence of co-trapped ⁴⁰Ca⁺ ions. Ground state cooling of a mixed ion pair is implemented as a first step towards increasing the sensitivity of our technique to the level necessary to measure transitions with low scattering rates (like those present in molecular ions). Doppler cooling on the S(1/2)->P(1/2) transition of the calcium ion results in the formation of a Coulomb crystal, the behavior of which may be used to infer properties of the molecular ion. Following cooling, sideband spectroscopy on the narrow S(1/2)->D(5/2) quadrupole transition of calcium may be used to identify the mass of single molecular ions. This method is verified via a non-destructive measurement on ⁴⁰CaH⁺ and ⁴⁰Ca¹⁶O⁺. The normal modes of the Coulomb crystal can also be used to extract information from the target ion to the control ion. By driving the blue side of a transition, laser induced heating can be put into the two ion system, which leads to changes in fluorescence of the ⁴⁰Ca⁺ ion, first demonstrated with two Ca⁺ isotopes. Increasing the sensitivity of this technique requires ground state cooling of both the ⁴⁰Ca⁺ ion and the ion of interest, enabling the transfer of the ion's motional state into the ground state with high probability. This thesis demonstrates ground state cooling of the atomic ion and sympathetic cooling of a second ion (⁴⁴Ca⁺). Once in the ground state, heating of the Coulomb crystal by scattering photons off of the spectroscopy ion can be measured by monitoring the resolved motional sidebands of the S(1/2)->D(5/2) transition of ⁴⁰Ca⁺, allowing for spectral lines to be inferred. Future experiments will investigate this technique with molecular ions.

With only two ingredients, atomic nuclei exhibit a rich structure depending on the ordering of the different proton- and neutron-occupied states. This ordering can give rise to excited states with exceptionally long half-lives, also known as isomers, especially near shell closures. On-line mass spectrometry can often be compromised by the existence of such states that may even be produced in higher proportion than the ground state. This thesis presents the first results obtained from a nuclear spectroscopy setup coupled with the high-resolution Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP, at CERN’s radioactive ion beam facility ISOLDE. The isomerism in the neutron-deficient thallium isotopes was investigated. The data on 184,190,193−195 Tl allow an improvement of existing mass values as well as a mass-spin-state assignment in 190,193,194 Tl. Due to the presence of the ground and isomeric state for 194 Tl the excitation energy of the latter was determined for the first time experimentally. Systematic trends in the vicinity of the Z = 82 shell closure have been discussed.

Nous présentons dans ce<br />mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de<br />Bose-Einstein de l'hélium métastable $2^3S_1$ polarisé. Nous<br />commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les<br />taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes<br />métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très<br />encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation<br />de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite<br />le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique<br />que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de<br />gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un<br />jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège<br />magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions<br />inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour<br />une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est<br />ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi<br />par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de<br />dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des<br />atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui<br />démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au<br />moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont<br />polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique,<br />basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la<br />traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la<br />condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre<br />d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une<br />estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

Cette thèse traite des interactions à très longue portée entre atomes de Rydberg froids.<br />Elle présente les résultats de la première réalisation du blocage dipolaire, qui se traduit par<br />une limitation de l'excitation d'un ensemble d'atomes vers un état de Rydberg en raison du<br />déplacement des niveaux d'énergie lié aux interactions dipôle-dipôle entre atomes. L'importance<br />de l'implication du blocage dipolaire a été soulignée pour l'information quantique avec<br />la possible réalisation de portes quantiques conditionnelles à deux qubits. La mise en évidence<br />du blocage dipolaire est présentée dans le cadre de deux configurations expérimentales différentes<br />: en présence d'un champ électrique et à résonance de Förster. Parvenir à la maîtrise du<br />blocage dipolaire de l'excitation vers des états de Rydberg a demandé un contrôle important<br />des conditions expérimentales : compensation des champs parasites, contrôle des sources d'ionisation<br />d'atomes, contrôle de l'intensité laser d'excitation pour se placer en-dessous du seuil<br />de saturation par puissance. Des études complémentaires ont été réalisées, telle que celle des<br />forces dipolaires entre atomes de Rydberg responsables d'un phénomène d'ionisation Penning,<br />aussi à l'origine de la formation d'un plasma ultra-froid. Une autre étude concerne le processus<br />du transfert d'excitation à résonance de Förster, dont les propriétés de cohérence ont été<br />analysés par une technique spectroscopique originale dite de "creusement spectral".

L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

Cette thèse présente des résultats obtenus par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés ''en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature ''non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic originale, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.