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.

Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion calcium unique confiné dans un piège de Paul-Straubel. La première partie du manuscrit est consacrée au piégeage et au refroidissement laser des ions. Les trois sources lasers (397 nm, 866 nm et 729 nm) utilisées dans l'expérience sont étudiées en détail. Pour atteindre le régime de Lamb-Dicke et ainsi éliminer l'élargissement par effet Doppler du premier ordre, il est indispensable de réduire le mouvement de l'ion. Différentes techniques de réduction du micromouvement sont exposées, en particulier une nouvelle méthode basée sur l'observation de résonances noires a été mise en place. Des simulations numériques utilisant la matrice densité permettent d'expliquer les observations expérimentales. Une deuxième partie décrit les expériences réalisées pour déterminer les durées de vie des niveaux D3/2 et D5/2 de l'ion calcium 40. La mesure de la durée de vie du niveau D5/2 est une étape importante puisqu'elle permet de contrôler et de réduire les effets qui pourraient élargir la transition d'horloge. La dernière partie de ce mémoire est dédiée à l'évaluation théorique des effets systématiques pouvant affecter la fréquence du futur étalon. Un étalon de fréquence optique basé sur la transition S1/2,F=4,m_F=0 ---> D5/2,F=6,m_F=0 de l'ion 43Ca+ pourra atteindre une exactitude de 4*10^(-16).

Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.