Ce manuscrit décrit l'étude et le développement de capteurs inertiels fondés sur l'utilisation de l'interférométrie atomique. Une introduction historique du domaine est suivie d'une description du principe de fonctionnement des interféromètres, fondés sur l'utilisation de transition Raman stimulées comme séparatrices atomiques d'une part et d'atomes refroidis par laser d'autre part. L'étude porte principalement sur trois systèmes expérimentaux : deux gyromètres et un gravimètre. Leurs performances respectives sont présentées et comparées à l'état de l'art des capteurs standard et mises en perpective des différents domaines d'application envisagés. Les limites expérimentales sont identifiées comme étant liées à l'interaction entre atomes et séparatrices lasers. Le manuscrit se termine par une présentation des perspectives en terme de performances ultimes et de nouveaux concepts, notamment fondés sur l'utilisation d'atomes ultra-froids, ainsi que d'un certain nombre de missions spatiales envisagées utilisant des capteurs inertiels par interférométrie atomique.

La conception et la réalisation d'un gravimètre à atomes froids embarquable sont présentées. L'utilisation d'un tel instrument peut permettre de mesurer de façon précise et absolue la pesanteur. En faisant interagir des faisceaux lasers avec un nuage d'atomes de Rubidium refroidis à 4 µK, il a été possible d'obtenir une mesure absolue de pesanteur par interférométrie atomique, à l'aide de technologies propices à l'embarquabilité. Un banc laser compact et robuste a notamment été conçu, basé sur un concept original, l'utilisation de la technologie fibrée Telecom à 1,5 µm. Nous avons ainsi pu mesurer la pesanteur dans notre laboratoire g = 9,808 924 66 m.s-2 avec une incertitude sur la mesure de +/- 9.10-7.g et une sensibilité de 1,84.10-6.g.Hz-1/2. Ces résultats et conclusions ont permis de développer un second instrument aux performances grandement améliorées. La source laser a aussi été validée lors d'un second projet à bord d'un avion réalisant des phases d'hyper (2g) et micro-pesanteur (ICE).

Ce mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est consacrée à l'étude de la superfluidité dans un gaz de fermions ultra-froids. En utilisant un gaz dégénéré de lithium 6 au voisinage d'une résonance de Feshbach nous avons obtenu un superfluide fermionique et étudié son évolution en fonction de l'énergie de liaison des paires. Afin de caractériser la transition BEC-BCS entre un condensat de Bose-Einstein de molécules et un état BCS de paires de Cooper faiblement liées, nous avons étudié l'expansion du nuage en absence ou en présence d'interactions. Nous avons ainsi extrait la distribution en impulsion du système et sondé son caractère hydrodynamique. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'un montage expérimental de seconde génération. Par rapport à l'ancien dispositif, ses principaux atouts sont un gain d'un ordre de grandeur sur le nombre d'atomes piégés, un bon accès optique, une grande stabilité et reproductibilité ainsi qu'un taux de répétition cinq fois supérieur. La nouvelle expérience a déjà permis d'atteindre le seuil de dégénérescence quantique du lithium 7 avec des performances très satisfaisantes et donne accès à la simulation de hamiltoniens de matière condensée avec des fermions ultra-froids.

Chez les mammifères, deux protéines cytosoliques régulatrices du fer, IRP1 et IRP2 (Iron Regulatory Proteins), sont impliqué dans le métabolisme de ce métal biologiquement essentiel. Ces protéines peuvent fixer des régions spécifiques d'ARNm, appelée Iron Responsive Elements, et ainsi contrôler l'expression des protéines impliquées dans l'importation, le stockage et l'utilisation du fer. IRP1 peut perdre sa capacité de fixer l'ARN en acquièrent un agrégat [4Fe-4S] lui conférant une activité d'aconitase cytosolique catalysant la conversion du citrate en isocitrate. Le rôle physiologique exact d'IRP1 n'est pas encore complètement clair mais des indications laissent à penser qu'elle serait impliquée dans la réponse au stress oxydant.<br />L'IRP1 humaine a une masse moléculaire de 98 kDa. La forme contenant un agrégat [4Fe-4S] a été cristallisée dans des conditions anaérobiques et un jeu de donnée allant jusqu'à 1,85 Å a été collecté. Un remplacement moléculaire a été tenté afin de résoudre la structure de la protéine à partir de la structure de l'aconitase mitochondriale de bœuf qui présente 22% d'identité de séquence avec IRP1 mais sans succès. Par la suite, une seconde forme cristalline diffractant à 2,5 Å de résolution a été obtenue. Le signal anomal de l'agrégat fer-soufre ainsi que celui d'un site zinc inattendu dans l'enzyme native ont été utilisés en plus des données isomorphes d'un dérivés or pour résoudre le problème de la phase. La structure a été affinée et analysée en respectant la fonction aconitase et celle de fixation d'ARN de la protéine et ce en utilisant les résultats des différentes études de mutagenèse dirigée disponibles dans la littérature.

Ce travail de thèse décrit la mise en place d'un dispositif expérimental basé sur la digitalisation des signaux et dédié à l'étude des neutrons prompts de fission émis en coincidence avec les fragments de fission lors de la fission spontanée du 252Cf. Ce dispositif comprend une chambre à ionisation utilisée pour la détection des fragments de fission ainsi qu'un scintillateur liquide de type NE213 pour la détection des neutrons prompts. Nous montrons comment l'analyse délicate des signaux digitalisés nous a permis de déterminer à la fois les distributions en masse et en énergie cinétique des fragments de fission ainsi que le spectre en énergie et la multiplicité des neutrons de fission

La double désintégration β est un type de radioactivité rare. On en distingue deux types : la double désintégration β avec émission de neutrinos permise par le Modèle Standard, et sans émission de neutrinos, en revanche interdite. La mise en évidence de la double désintégration β sans émission de neutrino permettrait d'accéder à l'échelle de masse du neutrino et de connaître sa nature (particule de Dirac ou de Majorana). L'expérience NEMO recherche le processus de double désintégration β sans émission de neutrino à l'aide du détecteur NEMO3, qui renferme 10 kg d'isotopes radioactifs double β, dont 932 g de 82Se. L'analyse des données de l'expérience relatives au 82Se consiste en la recherche d'un signal correspondant au processus interdit. La première partie de ce travail a consisté à définir un modèle du bruit de fond de l'expérience pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Le détecteur NEMO3 permet la mesure de ses propres bruits de fond. Une étude détaillée des sources de bruit de fond de l'expérience est effectuée à partir des données enregistrées par le détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de donner une limite supérieure sur la période de la double décroissance bêta sans émission de neutrino du 82Se pour plusieurs mécanismes : l'échange de neutrinos légers de Majorana, l'interaction faible à courant droit et l'émission de Majoron. Mots-clés : Neutrino, décroissance double bêta, bruits de fond, radioactivité.

L'expérience NEMO3, en phase de prise de données depuis 2003, a pour objectif la recherche du signal de décroissance double bêta sans émission de neutrino (2β0ν) avec une sensibilité de 0,1 eV sur la masse effective du neutrino. La mise en évidence du processus 2β0ν, interdit par le Modèle Standard, impliquerait la non conservation du nombre leptonique et l'existence de neutrinos massifs de Majorana. La technique expérimentale utilisée associe un détecteur de traces à un calorimètre permettant ainsi l'identification des deux électrons et la mesure de leur énergie. Avec une sensibilité sur la période de 1023 années, quelques événements sont attendus par an. La réduction et la parfaite connaissance des bruits de fond sont donc fondamentales. Un contrôle précis des gains de l'ensemble des photomultiplicateurs du calorimètre est également nécessaire. La première partie de ce travail a consisté à l'exploitation des informations obtenues par les étalonnages relatifs en énergie réalisés quotidiennement avec une lumière laser. Cette étude a abouti à une méthode d'application des résultats des étalonnages relatifs pour l'analyse des données de NEMO3. La deuxième partie de ce travail a porté sur l'étude des différents bruits de fond des décroissances 2β2ν et 2β0ν. L'analyse des données enregistrées avec une source de neutrons dans différentes configurations de blindages du détecteur NEMO3 a validé un programme de génération des photons produits par interaction des neutrons rapides. Enfin, ce travail a permis de déterminer la période de décroissance 2β2ν du 100Mo et de donner une limite sur le processus 2β0ν du 100Mo.

Au voisinage d'une résonance de Feshbach, les interactions entre atomes froids sont fortes car la longueur de diffusion diverge. De plus les interactions ont une portée faible, ce qui permet généralement de les modéliser par un pseudopotentiel de portée nulle. La limite d'une longueur de diffusion infinie et d'une portée nulle est appelée limite unitaire.<br /><br />Nous résolvons le problème à 3 corps à la limite unitaire dans un piège harmonique isotrope. Pour des particules bosoniques, nous obtenons deux types d'états propres: d'une part les états universels, qui ne dépendent que de la fréquence d'oscillation d'une particule dans le piège, de la masse des particules et de la constante de Planck; d'autre part les états efimoviens, qui dépendent aussi d'un paramètre à trois corps, de façon analogue aux états liés découverts par Efimov en l'absence de potentiel extérieur. Dans une expérience, nous prédisons que les états universels ont une longue durée de vie, ce qui est inhabituel pour des atomes bosoniques. Cette durée de vie est limitée par le couplage des états universels aux états efimoviens induit par la portée non nulle des interactions.<br /><br />Pour le problème à N corps, nous montrons que l'hyperrayon, un degré de liberté collectif décrivant la taille globale du gaz, est séparable. Nous déterminons ainsi la dépendance en l'hyperrayon des fonctions d'ondes à N corps. Nous déduisons une relation sur les fluctuations thermiques de la taille du gaz. Nos résultats se généralisent à certaines résonances à N corps.<br /><br />Dans un piège tournant à une vitesse suffisante, nous montrons dans le cadre de l'hydrodynamique superfluide que le gaz unitaire devient dynamiquement instable.<br /><br />Pour un piège et une dimension d'espace quelconques, nous obtenons de nouveaux théorèmes du viriel pour différents types d'interactions entre atomes. Dans le cas de la transition BEC-BCS dans un piège harmonique, nous déduisons que l'énergie potentielle de piégeage a un point d'inflexion à la limite unitaire si la longueur de diffusion est changée adiabatiquement.

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.

Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux<br />scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette<br />période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en<br />charge une nouvelle expérience visant à produire une source<br />continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des<br />outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes<br />froids piégés.<br /><br />Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents<br />mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel<br />un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres<br />termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du<br />protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le<br />domaine spatial : dans notre montage les atomes sont<br />progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement<br />séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir<br />un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont<br />les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une<br />source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de<br />nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les<br />interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou<br />encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent<br />potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source<br />continue et cohérente d'atomes froids.<br /><br />Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du<br />dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons<br />obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter<br />efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert<br />d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un<br />piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux<br />de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un<br />ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à<br />recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux<br />de chargement de l'injecteur de $4\times 10^{10}$ atomes par<br />seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par<br />un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite<br />la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont<br />l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de<br />l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer<br />aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré,<br />et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide<br />magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons<br />étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en<br />mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont<br />désormais les suivantes : un flux de $7\times 10^9$ atomes par<br />seconde, une température de 400 micro K pour un confinement<br />transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s.<br /><br />Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au<br />sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout<br />d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la<br />température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences<br />disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un<br />état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à<br />l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de<br />thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d.<br />Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une<br />vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première<br />partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement<br />élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé.<br />Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été<br />obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des<br />phases d'un ordre de grandeur.<br /><br />Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes<br />analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous<br />mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la<br />méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations<br />collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par<br />le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de<br />rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a<br />pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le<br />régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode<br />ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de<br />superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil<br />que nous avons développé repose sur des solutions approchées par<br />changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré<br />ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire<br />l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique<br />piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés.<br />Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire<br />également tous les régimes collisionnels, et en particulier la<br />transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique.<br />L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour<br />analyser, expliquer ou extraire des informations de données<br />expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par<br />ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des<br />problèmes connexes de notre communauté.