Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge. / The HORACE project consists in the development of a high-performance compact atomic clock based on isotropic laser cooling of 133Cs atoms, targeting the needs for on-board clocks. In order to minimize the clock size, the entire clock sequence is performed inside one interaction zone only, including atomic cooling, preparation, interrogation and detection. This is made possible with a microwave interrogation cavity that is both resonant at the clock transition frequency, and used as an integrating sphere for the cooling light as well. This thesis work is mainly dedicated to the experimental study of the atomic cooling in the 3D speckle field generated inside the cavity. By limiting the cooling sequence to a capture phase, about 3x108 atoms can be cooled to kinetic temperatures lower than 60 microkelvins. Besides, we show that an inhomogeneous optical energy repartition in the cavity leads us to perform the sub-Doppler cooling phase in 2 steps. Despite random polarization change from one speckle grain to another, the atomic cooling dynamics observed in the sub-Doppler regime is similar to the one observed in conventional optical lattices. The last part of this thesis is devoted to the metrological aspect where the entire clock sequence is demonstrated for the first time at the same place. The fractional frequency stability of 2x10-13-1/2 should be reached on Earth.

Les expériences présentées dans ce mémoire ont été effectuées sur des atomes de Césium piégés dans un réseau lumineux non dissipatif produit par deux faisceaux d'un laser Nd:YAG. Verticalement, les atomes sont confinés dans des micro-puits indépendants au fond de chaque maximum d'intensité et le confinement horizontal est assuré par la forme gaussienne des faisceaux. Le fort confinement vertical nous a permis, en mettant au point un refroidissement optique par bandes latérales, d'accumuler environ 95% des atomes dans l'état fondamental du mouvement dans la direction verticale. A partir de cet état quantique pratiquement pur, nous avons produit d'autres états quantiques et, grâce à une technique d'imagerie en absorption, nous avons visualisé directement leur distribution en vitesse. Tout d'abord, nous avons réalisé le premier état excité du mouvement des atomes dont la distribution en vitesse s'annule en v = 0. Nous avons ensuite réalisé des états non stationnaires du mouvement et visualisé l'évolution temporelle de leur distribution en vitesse. Ainsi, l'évolution d'une superposition des deux premiers niveaux vibrationnels et celle d'états comprimés ont été enregistrées. Les états comprimés sont, comme l'état fondamental, des états d'incertitude minimum (ΔpΔz = \hbar /2) mais leur distribution en impulsion est plus fine que celle de l'état fondamental. Une réduction d'un facteur 4 a été obtenue. En appliquant le refroidissement du mouvement vertical pendant un temps long, grâce au transfert d'énergie du mouvement horizontal au mouvement vertical assuré par les collisions, nous avons refroidi le mouvement dans les trois directions. Nous avons ainsi obtenu une température T ~ 3 µK pour laquelle 80% des atomes sont dans l'état fondamental du mouvement vertical. Enfin, une étude de temps de thermalisation montre que la résonance de diffusion à énergie nulle du Cesium n'est pas affectée par le fort confinement vertical.

Ce mémoire décrit la construction d'une expérience visant à produire un gaz de $^6$Li fermionique dégénéré par refroidissement évaporatif dans un piège magnétique. Il décrit également quelques propriétés d'un gaz de fermions dans le régime de dégénérescence quantique. A cause du principe d'exclusion de Pauli, le refroidissement évaporatif standard d'un gaz de fermions devient inefficace à basse température. La méthode proposée dans ce mémoire contourne cette limitation grâce à l'utilisation d'un mélange de fermions ($^6$Li), et bosons ($^7$Li). Le montage réalisé comprend un jet intense d'atomes de lithium ralentis par laser, un piège magnéto-optique à faisceaux de gros diamètre et un piège magnétique conçu de façon à produire de très forts gradients de champs. Une nouvelle source laser à semiconducteur émettant plusieurs composantes de fréquence autour de 670 nm a été développée. Ainsi 4 10$^(8)$ atomes de $^6$Li et 10$^(10)$ atomes de $^7$Li ont été confinés simultanément dans le piège magnéto-optique à une température de 1 mK. Les atomes sont ensuite transférés dans une zone éloignée de 5 cm où un piège de Ioffe-Pritchard à fort gradient les confine. Ce piège contient actuellement 4 10$^(8)$ atomes de $^7$Li à une température $\simeq$2 mK, et possède une durée de vie de 75 s. Sur un plan théorique, ce mémoire propose une nouvelle méthode de mesure de la dégénérescence de Fermi pour un gaz idéal. Cette méthode est très sensible. Elle repose sur l'inhibition de la relaxation collisionnelle d'un gaz de particules tests lorsque la température devient plus faible que la température de Fermi. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de refroidissement optique combinant collisions inélastiques et pompage optique.

Dans cette thèse, nous présentons la réalisation d'un piège magnéto-optique de strontium chargé à partir d'un jet atomique ralenti par laser. Pour cela, nous avons développé un laser bleu à 461 nm de puissance 200 mW obtenu en doublant la fréquence d'un laser infrarouge à semi-conducteur. Notre piège magnéto-optique nous a permis de piéger 10^7 atomes à une température de 8 mK.<br /><br />Nous avons utilisé ce gaz d'atomes froids de strontium pour étudier l'effet des interférences en diffusion multiple. Plus particulièrement, nous avons mesuré le cône de rétrodiffusion cohérente en utilisant de la lumière résonnante avec la transition J=0 - J=1 du strontium. Le facteur d'amplification proche de 2 obtenu dans le canal h // h montre que contrairement au rubidium, l'effet des interférences en diffusion multiple qui jouent un rôle crucial dans la localisation forte n'est pas réduit sur strontium.<br /><br />En vu de réaliser un piège magnéto-optique sur la transition étroite du strontium, nous avons développé un laser à 689 nm asservi en fréquence sur une cavité ultrastable. Nous avons mesuré une largeur spectrale inférieure à 1 kHz qui est suffisante pour l'expérience. Enfin, nous présentons une étude théorique du refroidissement Doppler sur une transition étroite.

Actuellement, l'évaporation par radiofréquence en piège magnétique reste un passage obligé pour l'obtention de gaz atomiques dégénérés. Afin de piéger magnétiquement et de refroidir un gaz d'atomes de Rubidium 87, nous avons conçu un électroaimant basé sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, capable de générer de forts gradients pour une puissance électrique modeste. La première version du dispositif se caractérise par une forte valeur du champ magnétique au centre du piège, de l'ordre de 100 Gauss, pour laquelle l'effet Zeeman non linéaire lève la dégénérescence des transitions radiofréquence entre les sous-niveaux magnétiques. Nous avons étudié dans un premier temps le refroidissement évaporatif à une seule radiofréquence dans ce régime. L'évaporation n'est pas perturbée dans le niveau hyperfin F = 1, et nous avons observé la condensation de Bose-Einstein. Par contre, dans le niveau F = 2, le processus d'évaporation est inhibé, et il est impossible de condenser le gaz pour un champ magnétique supérieur à environ 15 Gauss. Dans un deuxième temps, nous avons contourné cette difficulté, soit en évaporant les atomes avec trois radiofréquences distinctes, soit en faisant du refroidissement sympathique, c'est-à-dire en maintenant les atomes dans F = 2 en contact thermique avec un nuage d'atomes dans F = 1, lui-même refroidi par évaporation. Ces deux techniques permettent d'atteindre le seuil de condensation dans F = 2 à relativement fort champ. Enfin, nous avons conçu et réalisé une deuxième version de l'électroaimant permettant de compenser le champ magnétique au centre du piège, tout en conservant l'aptitude à générer de forts gradients. Cette nouvelle génération devrait apporter une solution définitive à l'évaporation des atomes dans F = 2, et déboucher sur la réalisation d'expériences nécessitant un fort confinement ou un potentiel de piégeage très anisotrope.

Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.

Le développement des véhicules électriques est actuellement en plein essor. Par contre, l’utilisation de ces véhicules est encore limitée en grande partie dû aux problèmes associés à la batterie : coût élevé, faible autonomie, long temps de recharge et durée de vie incertaine. L’influence de la température d’opération sur ces aspects de la batterie est grande et doit être considérée dès les phases initiales de conception de ce type de véhicule. Ce projet présente donc un modèle transitoire du système de gestion thermique d’un véhicule récréatif rechargeable. L’objectif de ce modèle est d’évaluer différentes options et configurations du système de refroidissement afin de minimiser l’impact de la température sur les performances du véhicule.

Le domaine allochtone de la chaîne Neoproterozoïque Araçuaí met en jeu de grandes quantités de magma, de la fusion partielle et un gradient thermique élevé, ce que caractérise cette chaîne comme un orogène chaud. La suite tonalitique Galiléia, mise en place dans des métasédiments et déformée à l'état magmatique, représente un énorme batholite qui a fortement influencé le comportement mécanique de la croûte moyenne. L'anisotropie de susceptibilité magnétique (ASM) mesurée à travers le batholite et utilisé comme proxy de la petrofabrique, associé à une étude de la minéralogie magnétique, a permit de définir le comportement paramagnétique de la suite Galiléia et de mettre en évidence une déformation complexe en 3D. Les structures développées dans le magma visqueux résultent d'une combinaison de tectoniques tangentielles induites par la compression, et de forces gravitaires découlant du poids de la croûte sus-jacente. La dynamique du batholite est compatible avec celles déjà décrites pour des roches ductiles d'orogènes chauds. Les datations U/Pb sur zircon et monazites et 40Ar/39Ar sur amphiboles, muscovites et biotites ont permit la caractérisation de l'évolution t hermique du batholite et de contraindre la durée de la déformation. Le batholite Galiléia s'est mis en place à ~580 Ma, au cours d'un important événement magmatique, tectonique et thermique. Les températures sont restées hautes durant les premiers ~50 Ma de l'évolution thermique, favorisant une déformation constante du batholite à l'état magmatique, pendant plusieurs dizaine de millions d'années. De telles hautes températures et une telle déformation stable durant de si longues périodes sont des caractéristiques qui semblent communes au orogènes chaud. Le refroidissement lent estimé à 10°C/Ma après ~500 Ma indique l'exhumation a été très lente, probablement due à l'érosion uniquement. / The allochtonous domain of the Neoproterozoic Araçuaí belt involves large amounts of magma, widespread partial melting, granulitic facies and high geotherm, characterising this belt as a hot orogen. The Galiléia tonalitic suite, emplaced within host metasediments and deformed at magmatic state, represents a huge batholith that strongly influenced the mechanical behaviour of this middle crust. The anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) measured through this batholith and used as a petrofabric proxy, combined to a detailed magnetic mineralogy investigation, permitted to characterize the paramagnetic behaviour of the Galiléia suite and therefore to highlight a complex 3D strain deformation. The observed structures developed within the viscous magma resulted from a combination of tangential tectonics induced by the compression, and gravitational forces arising from the load of the overlying crust. The kinematics of the batholith is compatible with that already described for ductile rocks of hot orogens. U/Pb dating on zircons and monazites together with 40Ar/39Ar dating on amphiboles, muscovites and biotites permitted to define the thermal evolution of the Galiléia batholith and its host metasediments and constrain the timing of the deformation. The Galiléia batholith emplaced during an important magmatic, tectonic and thermal event at ~580 Ma. Temperature remained high during the first ~50 Ma of the thermal evolution, promoting a seemingly constant deformation of the batholith at magmatic state during several tens of millions years. Such high temperature conditions and stable deformation kinematics during protracted periods of time are supposed to be characteristic of hot orogen. The slow cooling rate of ~10°C/Ma evidenced after ~500 Ma probably indicate a very slow exhumation probably only conducted by erosion.

Cette thèse présente les premiers travaux réalisés autour d’un nouveau dispositif expérimental de piégeage d’atomes individuels utilisant une unique lentille asphérique de grande ouverture numérique. Au cours de cette thèse, nous avons testé les propriétés optiques de la lentille et démontré la formation d’un col laser de 1 µm ainsi qu’un champ transverse sur lequel la lentille est limitée par diffraction de plus ou moins 25 µm. Après avoir démontré la capacité de ce système à piéger des atomes uniques, les caractérisations usuelles des conditions de piégeage ont été conduites: durée de vie, taux de chauffage, polarisation de la lumière de fluorescence, fréquences d’oscillations. Cette thèse s’est intéressée spécifiquement à la distribution d’énergie des atomes uniques piégés. La technique de lâcher et recapture combinée à une étude spectroscopique de l’occupation du piège par les atomes a conduit à la vérification du caractère thermique de la distribution d’énergie des atomes. Par un refroidissement laser combiné à un refroidissement adiabatique, une température minimale de 1,75 µK sans pertes d’atomes est obtenue avec un niveau vibrationnel moyen occupé égal à 4. Ces résultats sont très encourageants dans le contexte de l’information quantique où la température est souvent la principale limite physique à la durée de vie des cohérences d’un bit quantique. La dernière partie de cette thèse revient sur la problématique de la manipulation spatiale d’atomes uniques. Envisagé dans le cadre de la réalisation d’un calculateur quantique, le transfert d’un bit quantique et son déplacement dans l’espace sur une échelle compatible avec les caractéristiques d’un calculateur sont successivement étudiés. Ces travaux ont montré que ni l’état externe des atomes (au travers de leur température) ni leur état interne (à travers la durée de vie des cohérences d’un bit quantique) sont affectés par ce type de manipulations. / This thesis presents the early work done on a new setup that we have developped for trapping single atoms in an optical tweezer using only one diffraction limited large numerical aperture aspheric lens. Together with an experimental optical measurement of a 1µm laser beam waist created by such an aspheric lens, we showed that the diffraction limited transverse field of the lens is about plus or minus 25 µm. The ability of this new setup to trap single atoms is demonstrated and some crucial parameters are then determined : survival time in the dark, heating rate, fluorescence light polarisation, oscillation frequencies. During this PhD, we did focus our attention especially on determining the energy distribution of the single trapped atoms. A release and recapture technique along with the spectroscopic study of the energy levels occupation helped us show a termal behavior of a succession of single atoms in an optical twezer. By using common laser cooling techniques associated with adiabatic down ramping cooling, we showed that a reduction by a factor 100 of the mean energy corresponding to a mean vibrationnal energy level of about 4 and a minimum temperature of 1,75 µK. Spatial manipulation of single atoms and qubits was also studied. Using a tip-tilt platform, a second trap is set on the experiment and the transfer from one trap to the other, as well as the displacement of one trap with help of the platform, are experimentally studied. Both the temperature of the atoms and the qubit lifetime are showed to be insensitive to these manipulations.