Nous décrivons la conception et la construction d'une horloge atomique sur une puce à atomes, visant une stabilité de quelques 1e-13 à 1s et une application en tant qu'étalon secondaire. Cette horloge est basée sur la transition à deux photons entre les sous-états hyperfins |1,-1> et |2,1> de l'état fondamental de l'atome 87Rb. Elle interroge cette transition en effectuant une spectroscopie de type Ramsey, soit sur un nuage thermique d'atomes froids, soit sur un condensat de Bose--Einstein (BEC). Contrairement aux horloges à fontaines, ce nuage est magnétiquement piégé sur une puce à atomes. <br><br>Nous décrivons d'une part un modèle théorique de la stabilité d'horloge, d'autre part un montage expérimental dedié, capable de contrôler le champ magnétique à un niveau relatif de 1e-5 et doté d'une puce hybride, qui contient des conducteurs à courant continu ainsi qu'un guide d'onde pour acheminer la microonde

Le but des expériences de puces à atomes est la réalisation de micropièges magnétiques et la manipulation très précise d'un nuage d'atomes dont la température est abaissée à quelques microkelvins. De tels pièges peuvent être obtenus en utilisant par exemple le champ magnétique créé par des courants portés par des pistes conductrices de taille micrométrique lithographiées sur un substrat. La présence de la surface de la puce à quelques dizaines de micromètres du nuage atomique peut toutefois se révéler gênante pour le piégeage. Les fluctuations du champ magnétique induites par le bruit de courant dans la puce engendrent des pertes et diminuent le temps de vie dans le piège. Ce bruit est dû à la résistivité finie du métal utilisé pour réaliser la puce (bruit de Johnson-Nyquist). <br /><br />Des modèles théoriques présentés dans cette thèse laissent penser que l'utilisation de pistes supraconductrices pourrait réduire ces pertes. L'effet du réseau de vortex présent dans le supraconducteur sur le champ magnétique proche de la surface est également étudié. Nous décrivons par la suite le dispositif cryogénique et la séquence expérimentale qui nous ont permis d'observer le premier piège magnétique sur puce supraconductrice. Le temps de vie dans ce piège à 440 micromètres de la surface avoisine deux minutes ce qui est très prometteur. Nous présentons enfin l'étape de refroidissement du nuage jusqu'à l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein.

Dans les expériences de puces à atomes, des gaz froids d'atomes alcalins peuvent être maintenus dans un piège magnétique à une distance de quelques microns d'une surface conductrice. La présence de la surface peut se révéler gênante pour le piégeage. En effet, les fluctuations du champ magnétique induites par le bruit de courant dans la puce engendrent des pertes et diminuent le temps de vie de l'échantillon dans le piège quand le nuage se rapproche de la surface. Ce bruit magnétique de champ proche est dû à la résistivité du conducteur métallique utilisé pour le piégeage. L'une des solutions à ce problème pourrait être l'utilisation de supraconducteurs.<br /><br />Cette thèse présente la première expérience de puce à atomes supraconductrice. Nous avons en particulier obtenu le premier condensat de Bose-Einstein au voisinage d'un fil de niobium. Le condensat est composé d'environ 10.000 atomes à une température de 100 nK, à 50 micromètres de la surface de la puce. Les résultats obtenus au cours de ce travail montrent donc la faisabilité de la condensation de Bose-Einstein à quelques dizaines de microns d'une surface supraconductrice.<br /><br />Nous avons également calculé l'effet sur les atomes piégés du bruit de champ proche créé par la dynamique du réseau de vortex dans le supraconducteur. La dissipation dans les zones normales n'est pas négligeable, mais le temps de vie calculé reste très au-dessus des temps de vie mesurés au voisinage de conducteurs normaux. Ces prévisions théoriques confèrent aux puces à atomes supraconductrices un réel potentiel en termes d'applications des micropièges magnétiques très confinants. Ainsi, nous prévoyons par exemple de coupler le nuage atomique à des dispositifs supraconducteurs quantiques mésoscopiques, comme des cavités linéaires ou des SQUIDs.

Nous décrivons la construction et la caractérisation préliminaire d'une horloge atomique sur puce à atomes, visant une stabilité de quelques 10-13 à 1s. La transition d'horloge est définie par la transition micro-onde à deux photons entre les niveaux |F=1,mF=-1> et |F=2,mF=1> du 87Rb, qui peuvent être piégés magnétiquement. Une puce à atomes permet de générer le piège magnétique et de refroidir les atomes par évaporation forcée à une température de quelques centaines de nK, pouvant atteindre la température de condensation de Bose-Einstein. Le signal micro-onde de spectroscopie est couplé aux atomes à l'aide d'un guide d'onde coplanaire intégré à la puce ; l'ensemble du cycle d'horloge est donc effectué dans un volume réduit de (5 cm)3. Nous décrivons tout d'abord le dispositif expérimental permettant de mettre en oeuvre l'ensemble du cycle d'horloge, et notamment le banc optique développé et caractérisé dans le cadre de cette thèse. Nous présentons ensuite les résultats obtenus en terme de refroidissement atomique, qui se traduisent par l'obtention de condensats de Bose-Einstein de 3 104 atomes. Nous présentons enfin les résultats obtenus par spectroscopie de Ramsey de la transition d'horloge. Nous mesurons une durée de cohérence supérieure à 10 secondes, dominée par les pertes atomiques et non par le déphasage introduit par le piège magnétique, comme on aurait pu s'y attendre. Avec une durée de Ramsey de 3 secondes, la première évaluation de la stabilité de l'horloge donne 6 10-12 à 1 s, limitée par le bruit technique du dispositif. L'objectif est d'atteindre une stabilité de l'ordre de 10-13 à 1s, meilleure que celle des horloges commerciales actuelles.

Mes travaux postoctoraux ont commencé par un séjour théorique de un an à Aarhus, au Danemark où j'ai travaillé avec Klaus Moelmer sur des méthodes de compression de spin d'une assemblée d'atomes. Je suis ensuite entrée au Laboratoire Charles-Fabry de l'Institut d'Optique, dans l'équipe de Chris Westbrook et Alain Aspect, en tant que chargée de recherche au CNRS. J'ai participé à la mise en place d'une nouvelle expérience de puce atomique. Dans une telle expérience, les atomes sont piégés dans des pièges magnétiques réalisés par des micro-fils déposés sur un substrat et des guides magnétiques de très fort confinement transverse peuvent être réalisés. Mes travaux, théoriques et expérimentaux, sont tous en lien avec cette expérience et ils concernent la physique des gaz très allongés et les propriétés des micro-guides magnétiques. Une application envisagée des puces atomiques est la réalisation d'un interféromètre à atomes guidés. Sur le plan purement théorique, je me suis intéressée, à l'effet des interactions entre atomes dans un ''laser à atomes'' guidé. Une séparatrice cohérente pour atomes peut être réalisée par couplage tunnel entre deux guides et nous avons proposé une méthode expérimentale pour réaliser un tel couplage. J'ai étudié différents aspects théoriques liés à cette proposition. D'autre part, nous avons utilisé étudié expérimentalement la transition vers un quasi-condensat dans un gaz de Bose très allongé. Nous avons pour cela mis au point une technique de mesure des fluctuations de densité. Nous avons mis en évidence l'échec d'une analyse de type champ moyen qui néglige les corrélations entre atomes. Sur le plan théorique, j'ai <br />étudié la transition dans le cas d'un gaz purement unidimensionnel. Enfin nous avons déterminé l'origine de la rugosité d'un guide magnétique produit par un micro-fil. Nous avons mis en évidence une méthode pour s'affranchir de cette rugosité, qui constituait une limite importante des puces atomique.

Dans cette thèse, nous démontrons la création et la caractérisation d'états intriqués dans un ensemble atomique à l'aide d'un résonateur optique de haute finesse. Notre dis- positif expérimental consiste en une cavité fibrée placée en dessous d'une puce à atomes. Les atomes sont tous piégés dans un seul ventre du piège dipolaire créé dans la cavité. Ainsi, ils sont également couplés au mode lumineux de la cavité. Nous présentons une méthode basée sur une mesure collective et non-destructive et une évolution conditionnelle qui sert à créer des états intriqués et symétriques puis à les analyser, avec la résolution d'une particule unique, en mesurant d'une manière directe leur fonction Husimi Q. En utilisant cette méthode, nous créons et caractérisons des états W contenant jusqu'à 41 atomes. Nous reconstituons la partie symétrique de la matrice densité à partir des données expérimentales de la fonction Husimi Q en utilisant différentes méthodes de reconstruction quantique et nous obtenons une fidélité de 0.42. Par ailleurs, nous avons établi un critère d'intrication qui consiste à comparer seulement deux populations de la matrice densité. Nous l'utilisons pour déterminer le degré d'intrication présent dans les états expérimentalement créés et nous trouvons que l'état de fidélité maximale contient au moins 13 particules intriquées. Pour finir, nous présentons des résultats préliminaires concernant des expériences de dénombrement d'atomes dans la cavité en régime de mesures non-destructives ainsi que des expériences de création d'états intriqués en se servant de la dynamique Zénon quantique. / In this thesis, we demonstrate the creation and characterization of multiparticle entangled states of neutral atoms with the help of a high finesse cavity. Our experimental setup consists of a fibre-based high finesse cavity above the surface of an atom chip. It allows us to prepare an ensemble of 87Rb atoms with well-defined atom number. The atoms are trapped in a single antinode of an intracavity standing wave dipole trap and are therefore all equally coupled to the cavity mode. We present a scheme based on a collective, quantum non-destructive (QND) measurement and conditional evolution to create symmetric entangled states and to analyze them at the single-particle level by directly measuring their Husimi Q function. We use this method to create and characterize W states of up to 41 atoms. From the tomography curve of the Q function, we reconstruct the symmetric part of the density matrix via different reconstruction techniques and obtain a fidelity of 0.42. Furthermore, we have devised an entanglement criterion which only relies on comparing two populations of the density matrix. We use it to infer the degree of multiparticle entanglement in our experimentally created states and find that the state with highest fidelity contains at least 13 entangled particles. In addition, we show preliminary results on experiments to count the atom number inside a cavity in the QND regime and to create entangled states via quantum Zeno dynamics.

Nous démontrons la création d'états intriqués dans un ensemble d’atomes neutres fondée sur la dynamique Zénon quantique (QZD), à l'aide d'un microrésonateur optique. Notre dispositif expérimental combine une puce à atomes avec une cavité Fabry-Perot fibrée (FFP) et nous permet de piéger un ensemble d’atomes de Rb87 dans un seul ventre d'un piège dipolaire créé dans la cavité. Les atomes sont couplés fortement et identiquement au mode lumineux de la cavité, ce qui permet une mesure non-destructive de leur état collectif.Nous réalisons la QZD en modifiant, par des mesures fréquentes, la dynamique induite par radiation micro-ondes. Nous démontrons que la QZD créé des états intriqués multiparticules de façon déterministe et rapide. Nous caractérisons ces états à l'aide de mesures de la fonction de Husimi Q, donnant accès à la partie symétrique de la matrice densité. Nous étudions l’évolution temporelle d'états impliquant un minimum de 3 à 11 atomes intriqués, qui présentent une fidélité par rapport à l'état W à 36 atomes atteignant 0.37. Nous étudions l'influence de la force de la mesure et des imperfections expérimentales et nous montrons que notre système est bien décrit par des modèles simples sans paramètres ajustables.Nous présentons aussi un travail réalisé en vue de l’amélioration des cavités FFP. Nous discutons notamment la limitation due à l'écart en fréquence des modes propres de polarisation dans des cavités formées par deux fibres optiques microfabriquées avec un laser CO2. Nous démontrons que cet effet dépend de la symétrie des structures microfabriquées et qu'il peut être contrôlé tant au niveau de la fabrication que pendant l'assemblage de la cavité. / In this thesis, we show how an optical microcavity setup can create multiparticle entanglement in an ensemble of neutral atoms by means of quantum Zeno dynamics (QZD).Our setup combines an atom chip with a fibre Fabry-Perot (FFP) resonator and allows us to load an ensemble of Rb87 atoms into a single node of an intracavity dipole trap, coupling the atoms strongly and identically to the cavity light field which enables us to perform a quantum non-destructive measurement of their collective state.We realise QZD by modifying the dynamics of the collective state (encoded in atomic hyperfine states addressed with MW radiation) by means of frequent cavity measurements at optical frequency. This QZD is shown to create multiparticle entanglement in a fast and deterministic scheme. To analyse the created states, we reconstruct the symmetric part of the atomic density matrix from 2d measurements of the ensemble's Husimi Q-distribution. We give a time-resolved account of the creation of states with at least 3-11 entangled atoms and fidelity of up to 0.37 with respect to a W state of 36 atoms. Studying the influence of measurement strength and experimental imperfections, we show that our experiments are well described by simple models with no free parameters.This thesis also presents work towards improved FFP cavities. We discuss the problem of frequency splitting of polarisation eigenmodes in cavities made from two fibres microfabricated with a CO2 laser. We show that this effect depends on the symmetry of the microfabricated structures and demonstrate that it can be controlled both at the level of fabrication and when assembling a cavity.

L'expérience qui fait l'objet de cette thèse s'inscrit dans un contexte d'évolution de la recherche en physique atomique vers le développement de systèmes miniaturisés pour la génération et la manipulation d'ondes de matière cohérentes. Il s'agit de la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilué d'atomes de 87Rb piégés par le champ magnétique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituée de fils d'or de dimensions micrométriques, déposés sur un substrat de silicium par lithographie optique. Expérimentalement, les atomes désorbés par un filament de rubidium sont chargés et refroidis dans un piège magnéto-optique dont le champ magnétique est créé par des bobines macroscopiques extérieures au système à vide. Le nuage est ensuite transféré dans un second piège magnéto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnétique quadrupolaire est généré en partie par un fil microfabriqué en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnétique créé par un deuxième fil en forme de Z. L'échantillon piégé magnétiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par évaporation radio-fréquence jusqu'à atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phénomène traduit une rugosité du potentiel de piégeage due à l'inhomogénéïté de la densité de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit présente la réalisation de cette expérience dans son intégralité, des motivations initiales aux résultats expérimentaux obtenus, et décrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectués pour concevoir ce dispositif et parvenir à ces résultats.