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Trapping ultracold atoms in optical lattices enabled the study of strongly correlated phenomena in an environment that is far more controllable and tunable than what was possible in condensed matter. Here, we consider coupling these systems to quantised light where the quantum nature of both the optical and matter fields play equally important roles in order to push the boundaries of what is possible in ultracold atomic systems. We show that light can serve as a nondestructive probe of the quantum state of matter. By considering a global measurement we show that it is possible to distinguish a highly delocalised phase like a superfluid from the Bose glass and Mott insulator. We also demonstrate that light scattering reveals not only density correlations, but also matter-field interference. By taking into account the effect of measurement backaction we show that the measurement can efficiently compete with the local atomic dynamics of the quantum gas. This can generate long-range correlations and entanglement which in turn leads to macroscopic multimode oscillations across the whole lattice when the measurement is weak and correlated tunnelling, as well as selective suppression and enhancement of dynamical processes beyond the projective limit of the quantum Zeno effect in the strong measurement regime. We also consider quantum measurement backaction due to the measurement of matter-phase-related variables such as global phase coherence. We show how this unconventional approach opens up new opportunities to affect system evolution and demonstrate how this can lead to a new class of measurement projections thus extending the measurement postulate for the case of strong competition with the system's own evolution.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.

In the present thesis, “Hydrodynamics of Binary Bose-Einstein Condensates and Hydro-elasticity of the Inner Crust of Neutron Stars”, the hydrodynamic effects, instabilities and superfluid turbulence in binary immiscible ultracold gases, and hydro-elastic macroscopic coupled modes and microscopic structure of the inner layers of the crust of neutron stars, are studied. The ultracold gas dynamics can be realized in the laboratory. The excitation modes of the inner crust determine a number of observable properties such as elasticity, thermal properties and mass transport properties. Here we focus on expanding the details, rather than repeating the results presented in the published articles. In the part of the thesis related to atomic ultracold gases, we utilize the physical parameters in the experimentally realizable parameter region. We numerically simulate the coupled non-linear Schrödinger equations, and calculate observable quantities, such as phase and modulus of the order parameter, conditions needed for observation of the Rayleigh-Taylor instability and for turbulence generation. The numerical calculations are accompanied by analytical description of the processes. The dispersion relation for capillary-gravitational waves at the interface between two ultracold gases, is derived straightforwardly from the superfluid Lagrangian. The equations of motion for centre-of-mass of the superfluids are derived, and then used in our model of the quantum swapping of immiscible superfluids pressed by a strong external force. By numerical simulation, we find that the Kelvin-Helmholtz instability which occurs at the non-linear stage of the Rayleigh-Taylor instability, can generate quantum turbulence with peculiar properties. We find that two-dimensional superfluid systems with weak inter-component repulsion are different from previously studied strongly repulsive binary superfluids, because the quantum Kelvin-Helmholtz instability in weakly repulsive superfluids rolls up the whole interface forming a vortex bundle, similarly to dynamics of the shear fluid layers in the classical hydrodynamics. Production of vortex bundles favours the Kolmogorov spectrum of turbulence, and we find that the Kolmogorov scaling indeed is present in a freely decaying turbulence. In the part of the thesis related to neutron stars, we study the inner crust of neutron stars, where the fully ionized atomic nuclei coexist with a superfluid of neutrons. The interaction between superfluid neutrons and the crystallized Coulomb plasma is due to the interaction between density perturbations (interaction of the scalar type), and between the current - the non-dissipative entrainment effect (interaction of the vector type). We calculate velocities of the collective modes of the crystal coupled to superfluid neutrons. As an input we use the results of microscopic nuclear calculations in the framework of the compressible liquid drop model (the Lattimer and Swesty equation of state), and more recent effective Thomas-Fermi calculations with shell corrections (N. Chamel, and the Brussels theoretical nuclear physics group). Knowledge of velocities as functions of the matter density in the inner crust is important for calculation of a number of dynamic and transport properties. The heat transport properties of the inner crust are directly observable in accreting binary systems (low-mass x-ray binaries). The mass transport properties of the inner crust are directly linked to the rotational evolution, being a key physical ingredient of the pulsar glitch phenomenon. The elastic properties are related to the vibrational modes of the star, and to the breaking stress of the crust. In the second part of our work on neutron stars we investigate the microscopic structure of the inner crust treating the structure as an anisotropic crystal coupled to s-wave superfluid neutron liquid. As we analyse dynamics of the elementary excitations at higher wavenumbers (smaller scales), we reach the edge of the first Brillouin zone. The Lattimer-Swesty data is applicable for wavenumbers much smaller than the edge of the first Brillouin zone. We extrapolate the data through the whole first Brillouin zone to calculate the fastest growth rate of the unstable modes. The crucial step is to calculate the mode velocities in anisotropic crystal incorporating both the induced neutron-proton interactions, and the electron screening properties. We find that the combined influence of these two effects leads to softening of the longitudinal phonon of the lattice above about the Thomas-Fermi screening wavenumber of the electrons. The critical wavenumber when the frequency becomes purely imaginary is about  1/5 - 2/3  of the reciprocal lattice vector, thus validating our assumption. The imaginary mode frequency implies instability at finite wavenumbers. Our calculations suggest that the mode at the first Brillouin zone edge is the most unstable, and thus the structure experiences a displacive phase transition when the central ion of a unit cell of the body-cubic-centred lattice, is displaced to the cube face. Thus, the electronic structure of matter at densities above the neutron drip [1], is richer than previously appreciated, and new microscopic calculations of nuclear structure are necessary which take into account the high-wavenumber physics. Such calculations will provide crucial input to models interpreting the quasi-periodic oscillations in Soft Gamma Repeaters as magnetar x-ray flares, and to the theory of glitches of neutron stars. [1] The neutron drip density is ~3×1011 g cm-3.

We study the atom-light interaction in the fully quantum regime, with the focus on off-resonant light scattering into a cavity from ultracold atoms trapped in an optical lattice. Because of the global coupling between the atoms and the light modes, observing the photons leaking from the cavity allows the quantum nondemolition (QND) measurement of quantum correlations of the atomic ensemble, distinguishing between different quantum states. Moreover, the detection of the photons perturbs the quantum state of the atoms via the so-called measurement backaction. This effect constitutes an unusual additional dynamical source in a many-body strongly correlated system and it is able to efficiently compete with its intrinsic short-range dynamics. This competition becomes possible due to the ability to change the spatial profile of a global measurement at a microscopic scale comparable to the lattice period, without the need of single site addressing. We demonstrate nontrivial dynamical effects such as large-scale multimode oscillations, breakup and protection of strongly interacting fermion pairs. We show that measurement backaction can be exploited for realizing quantum states with spatial modulations of the density and magnetization, thus overcoming usual requirement for a strong interatomic interactions. We propose detection schemes for implementing antiferromagnetic states and density waves and we demonstrate that such long-range correlations cannot be realized with local addressing. Finally, we describe how to stabilize these emerging phases with the aid of quantum feedback. Such a quantum optical approach introduces into many-body physics novel processes, objects, and methods of quantum engineering, including the design of many-body entangled environments for open systems and it is easily extendable to other systems promising for quantum technologies.

Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum. / The study of the interplay between localization and interactions in disordered quantum systems led to the discovery of the interesting physics of many-body localization (MBL). This remarkable phenomenon provides a generic mechanism for the breaking of ergodicity in quantum isolated systems, and has stimulated several questions such as the possibility of a finite-temperature fluid-insulator transition. At the same time, the domain of ultracold interacting atoms is a rapidly growing field in the physics of disordered quantum systems. In this thesis, we study many-body localization in the context of two-dimensional disordered ultracold bosons. After reviewing some importance concepts, we present a study of the phase diagram of a two-dimensional weakly interacting Bose gas in a random potential at finite temperatures. The system undergoes two finite-temperature transitions: the MBL transition from normal fluid to insulator and the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition from algebraic superfluid to normal fluid. At T=0, we show the existence of a tricritical point where the three phases coexist. We also discuss the influence of the truncation of the energy distribution function at the trap barrier, a generic phenomenon for ultracold atoms. The truncation limits the growth of the localization length with energy and, in contrast to the thermodynamic limit, the insulator phase is present at any temperature. Finally, we conclude by discussing the stability of the insulating phase with respect to highly energetic particles in systems defined on a continuum.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.

Ce travail concerne les mécanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moléculaires formes au cours de collisions inélastiques ultra-froides. Ces collisions sont étudiées expérimentalement dans des pièges hybrides mêlant un piège d'atomes ultra-froids et un piège d’ions refroidis par laser. Nous avons effectué une analyse théorique systématique des collisions binaires, assistées par la lumière, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est décrite par des calculs de chimie quantique basés sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs très précis. La formation d’ions moléculaires par 'association radiative est prédite efficace pour tous les systèmes étudiés, avec une section efficace deux à dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculées et comparées aux valeurs expérimentales disponibles. Des résonances de forme sont attendues avec une largeur très faible, et pourraient être observées avec la meilleure résolution expérimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi été calculées. Elles montrent que les ions moléculaires formés ne sont pas créés dans leur état vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montré que ces ions moléculaires pouvaient être photodissociés par les lasers utilisés dans l’expérience pour le refroidissement et le piégeage. Par ailleurs nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des ions formés. Dans les échelles de temps des différentes expériences, nous avons montré que celle-ci ne résulte pas d'une relaxation radiative associée au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutôt à des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi étudié cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des expériences en cours. Nous avons décrit le calcul du potentiel d'interaction nécessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la résolution deséquations couplées multi-voies. En particulier il a été montré, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'état à état (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent être donc simplifiés en traitant l'ion à un électron actif comme étant dans un état de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'étude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite à des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte à des difficultés supplémentaires: (i) l'échange des atomes identiques conduisant à des collisions réactives qui induisent des pertes dans le piège. (ii) la forte densité d'états internes due à la lourde masse du système. (iii) les interactions inter-voies encore présentes à très longues distances du fait cette forte densité. Néanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observée dans les surfaces d'énergie potentielle conduit à la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait être très générale pour les ions moléculaires triatomiques présentant une forte anisotropie à courte distances et qui sont couramment utilisés dans les pièges hybrides. / The work sheds light on the mechanisms, and their efficiency, for (i) formation, (ii) destruction and (iii) internal cooling of cold molecular ions by inelastic ultracold collisions, such as those studied in hybrid setups merging an ultracold atom trap and a laser-cooled ion trap. We have carried out a systematic and consistent analysis of light assisted binary collisions of many relevant atom/ion pairs using accurate effective core potential based quantum chemistry calculations. Radiative association is predicted to occur for all systems with a cross section two to ten times larger than the competitive channel of radiative charge transfer. Partial and total rate constants are also calculated and compared to available experiments. Narrow shape resonances are expected, which could be detectable at low temperature with an experimental resolution at the limit of the present standards. Vibrational distributions are also calculated, showing that the final molecular ions are not created in their internal ground state level. Once light-assisted formation of molecular ions is probed, we have checked their effective radiative lifetime due to the presence of several lasers in the experiments, which turns out to efficiently photodissociate the created ions. Moreover, besides an extremely slow internal relaxation due to the presence of a permanent electric dipole moment, at reasonably time scales, we have found evidences for the population of molecular levels being strongly influenced by collisions with surrounding ultracold atoms. We have further investigated the internal cooling of both H₂⁺ and Rb₂⁺ (with the respective isotopologues) in collisions with ultracold He and Rb atoms, respectively, due to their relevance for experimental implementations. We have described the calculation of the interaction potentials needed to obtain the coupling potential matrix elements used in a multichannel close coupling formalism. In particular, it is shown that the sum of the He-H₂⁺ state-to-state cross sections (with and without vibrational effects) accounting for the coupling between electronic spin and molecular rotation is dynamically equivalent to directly treating the collision problem of a molecular ion as a structureless spherical rotor interacting with the He atom. The additional difficulties of a close-coupling treatment for an effective internal cooling of sympathetically cold Rb₂⁺ ions in collisions with Rb atoms are discussed along the following lines: (i) the homonuclear nature of the problem, inducing trap losses from reactive collisions; (ii) the higher density of internal states due to the heaviness of the system; and, (iii) its long-range neutral-charged interaction. Nevertheless, strong evidence of an efficient internal cooling by inelastic collisions with Rb atoms is found, and may indicate a general trend for all similar heavy species currently found in hybrid trap experiments.

Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré. / In this thesis I present the construction of a new experiment producing ultra cold gases of Dysprosium. Using the favourable electronic structure of open-shell lanthanide atoms, we aim at the realisation of laser-induced synthetic gauge fields, which could lead to the observation of novel (topological) phases of matter. The coupling of the atomic spin with the light field, improved with respect to alkali atoms, opens the possibility to explore strongly interacting regimes that were up to now out of experimental reach. I adapt existing protocols for the implementation of gauge fields to the case of Dysprosium, taking into account its large electronic spin (J = 8 in the ground state). Moreover, Dysprosium has the largest magnetic moment among the stable elements, and is the best candidate for the study of dipolar gases. I describe the experimental setup that we built and how we perform the trapping and cooling of Dysprosium. We study in detail the behaviour of the magneto-optical trap, which is performed on the ¹S₀ ↔ ³P₁ intercombination line. The narrow linewidth and the large spin make the trap operation quite challenging. Nevertheless, I show that its understanding becomes quite simple in the regime where the cloud spontaneously polarises due to the interplay of optical and gravitational forces. Finally, I describe the last steps of optical transport and evaporation, which will lead to the production of a degenerate gas.

Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière ($pi$) de la phase relative des composantes Zeeman ${theta = phi_{+1} + phi_{-1} - 2 phi_{0}}$. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie. / In this manuscript, we present an experimental study of a Spin 1 Bose gas with antiferromagnetic interactions with ultracold sodium atoms in the F=1 manifold. The three Zeeman components are trapped simultaneously in optical dipole traps. By performing evaporative cooling, we obtain quasi-pure spinor Bose-Einstein condensates of which we study the magnetic properties. There are two types of interactions between the constituents of the system: Contact interactions that do not change the Zeeman populations and spin-exchange contact interactions that do. A competition between Zeeman energy and the spin-exchange energy sets the magnetic ordering in the system.We first study the magnetic phases of spinor Bose-Einstein condensates near zero temperature. The ground state present two phases that are observed by varying the magnetic field (hence the quadratic Zeeman energy) and the magnetization of the sample. In the antiferromagnetic phase, the spin of the sample is purely along the direction of the magnetic field. In the broken-axisymmetry phase, a transverse component appears in order to minimize the Zeeman energy. For zero magnetization, the spinor condensate forms a spin nematic. This state, named in analogy with the liquid crystal nematic phase, is characterized by spin fluctuations orthogonal to a particular axis, with no preferred direction along that axis. In both phases, spin nematic order manifests as a minimization of the transverse spin length that is realized by enforcing a particular value ($pi$) of the relative phase of the Zeeman components $theta = phi_{+1} + phi_{-1} - 2 phi_0$. We measure the transverse spin length by analyzing spin noise after a spin rotation.Second, we study the thermodynamics of an antiferromagnetic spin 1 Bose gas next to the critical temperature for Bose-Einstein condensation. We measure several sequential condensation scenarii depending on the magnetization and the magnetic field. The measured critical temperatures reveal a large effect of interactions when one of the Zeeman component condenses in presence of a condensate in another component. We use a simplified Hartree-Fock theory, neglecting the spin exchange interactions and note a good agreement with our data. However, for low magnetic fields, the thermodynamic phase diagram is strongly modified which raises new open questions about the role of spin exchange interactions at finite temperatures.