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.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des phénomènes de transport dans les réseaux optiques d'atomes froids, en particulier les réseaux dits ‘brillant' dans lesquels les atomes piégés diffusent la lumière. Les principaux phénomènes de transport étudiés sont la diffusion spatiale et les modes de propagation appelés modes Brillouin. Les méthodes utilisées sont la spectroscopie pompe-sonde, que nous avons utilisée dans deux configurations différentes, la méthode des résonances induites par le recul pour les mesures de températures et l'imagerie du nuage d'atomes refroidis pour l'étude de la diffusion spatiale et des modes de propagations.<br />Les modes de propagation Brillouin, détectés jusqu'ici par spectroscopie pompe-sonde, ont été pour la première visualisés directement par imagerie : soit par une augmentation de la diffusion spatiale, soit par un déplacement du nuage atomique dans la direction d'excitation.<br />L'étude de la diffusion spatiale pour différentes géométries du réseau a montré d'une part l'anisotropie de la diffusion dans un réseau périodique, et d'autre part que la diffusion dépend fortement de la périodicité du réseau. Une étude sur la température menée en parallèle montre que la température en revanche ne dépend pas de la périodicité du réseau mais seulement de la profondeur des puits.<br />Enfin, nous avons montré que la relation proposée jusqu'ici pour relier la largeur de la résonance centrale des spectres pompe-sonde (résonance Rayleigh) à la diffusion spatiale n'est pas vérifiée dans notre réseau. Des études expérimentales pour vérifier si la largeur de cette résonance peut être reliée au taux de relaxation de la distribution de vitesse sont également présentées.

Cette thèse porte sur la localisation faible de la lumière par un gaz <br />d'atomes froids en présence d'un champ magnétique. Plus précisément,<br />elle est consacrée à l'augmentation cohérente de l'intensité diffuse<br />dans la direction arrière, due à l'interférence entre chemins de<br />diffusion multiple rencontrant les mêmes diffuseurs dans l'ordre inverse.<br />Nous présentons des résultats théoriques rendant compte d'observations<br />expérimentales récentes sur la forme et l'amplitude du profil d'intensité.<br /> En particulier, nous montrons qu'un champ<br />magnétique peut en augmenter l'amplitude si les atomes possèdent un niveau<br />fondamental dégénéré, à l'opposé de ce qui se produit pour des<br />diffuseurs classiques. Nous discutons l'intérêt de ce résultat en vue<br />de la localisation forte de la lumière.

L'électrodynamique en cavité étudie un atome interagissant avec un mode du champ. A résonance avec un champ cohérent mésoscopique (oscillation de Rabi quantique), l'atome modifie profondément le champ. Il s'intrique avec deux états de même amplitude, de phases différentes, créant une superposition quantique mésoscopique et donnant lieu aux effondrements et résurgences des oscillations de Rabi. <br />Nous présentons une étude expérimentale de cette intrication avec un atome de Rydberg circulaire et une cavité micro-onde supraconductrice. Pour sonder le champ, nous avons développé une mesure de la fonction ‘Q', appliquée à différents états : état à un photon, état cohérent. Nous avons ainsi mesuré la distance entre les composantes de phase produites par l'oscillation de Rabi. Cette mesure, au contraire de l'observation des résurgences, ne prouve pas la cohérence de la superposition. Nous avons donc induit ces résurgences par une transformation de l'état atomique, se ramenant à un renversement du temps, et obtenu ainsi une preuve de la création de superpositions quantiques mésoscopiques.

L'introduction de l'Atome en Iran s'est fait à l'initiative des Etats-Unis en 1957 dans le cadre du programme « Atomes pour la Paix. » L'Iran de l'époque n'avait aucun besoin de la technologie nucléaire. Mais cette même technologie a fourni les moyens de dissuasion contre les Etats-Unis même, 45 ans plus tard : l'Atome a paradoxalement servi pour la « paix en Iran ». L'initiative des Etats-Unis des années 1950 était basée sur leur position de faiblesse pour le contrôle du secteur nucléaire. La participation de l'Iran, comme des autres pays, au programme « Atomes pour la Paix » a permis aux Etats-Unis de créer un régime international afin de contrôler ce secteur. Les Etats-Unis ont utilisé l'accession de l'Inde (1974) à la capacité nucléaire militaire, comme prétexte pour empêcher l'accès de tout nouveau pays à l'utilisation de l'énergie nucléaire. Avec l'entrée de l'Europe dans le marché d'enrichissement, les Etats-Unis n'avaient plus aucun intérêt dans le maintien et la croissance du secteur nucléaire international. L'Inde avait fourni « l'événement » nécessaire pour justifier l'arrêt par les Etats-Unis de la coopération internationale dans ce domaine. Un marché qui ne lui servait plus à rien, et pourrait aussi augmenter le coût de ses interventions militaires.<br />Le départ des forces britanniques du Golfe Persique en 1971 a fourni l'occasion pour le Shah d'assumer un rôle sécuritaire important dans la région. La contrepartie pour le Shah était la récupération totale des bénéfices de l'industrie pétrolière. Mais le Shah visait aussi d'enrayer la baisse continue des prix pétroliers en termes réels par le biais d'une action collective de l'OPEP, ce qui n'était plus acceptable pour les Etats-Unis. Ceci, couplé avec la volonté du Shah d'ajuster ses dépenses d'armement aux besoins du pays, et de se fournir chez les meilleurs fournisseurs et pas nécessairement aux Etats-Unis, a rendu le Shah un client inutile aux yeux de ces derniers. <br />L'introduction de l'industrie nucléaire iranienne en 1974 s'est faite, dans ces conditions de méfiance entre les Etats-Unis et l'Iran. Ce programme accéléré était un des piliers de l'industrialisation accélérée du pays : d'une part la nation prévoyait un équilibre énergétique optimal, et d'autre part la diminution de l'utilisation du pétrole pour l'énergie, permettait son utilisation à des fins de diversification. Le moment précis du lancement de cette industrie était choisi pour deux raisons : d'abord l'augmentation des prix pétrolières fournissait les revenus nécessaires pour des investissements de cette envergure. Deuxièmement, en tant que puissance hégémonique régionale, l'Iran ne pouvait pas ignorer le statut nucléaire d'Israël et de l'Inde. Même si le programme de l'Iran était de nature strictement commerciale (usage civil), il fournissait deux éléments indispensables pour l'Iran. D'une part l'industrie nucléaire pouvait servir dans l'immédiat de symbole. D'autre part, la capacité de recherche et les technologies à double usage pouvaient fournir à l'Iran une capacité de dissuasion nucléaire dans le futur si besoin était. La réponse des Etats-Unis au défi de l'Iran a été un mélange de deux mesures : au niveau international le contrôle des fournisseurs nucléaires a rendu difficile la souveraineté iranienne sur son cycle de combustion. Les manipulations américaines des taux de change du dollar a renversé les gains temporaires des pays producteurs et a de facto annulé le redressement des cours du pétrole. Ceci a imposé des contraintes importantes sur les pays comme l'Iran, qui s'étaient engagés dans des programmes industriels et des investissements lourds. <br />Notre thèse est que la divulgation en 2002, de la capacité d'enrichissement de l'Iran sert deux fonctions essentielles : installer une « dissuasion virtuelle » contre une invasion par les Etats-Unis, et rendre obsolètes les accusations des Etats-Unis sur l'utilité militaire des réacteurs civils de l'Iran. La position difficile des Etats-Unis en Irak, son désaccord avec les membres du Conseil de Sécurité, et son impopularité croissante dans les états du Golfe, ont rendu le moment de cette divulgation particulièrement bien choisi. Le programme de missile iranien est la deuxième composante de son système de dissuasion : la capacité d'enrichissement peut dissuader Etats-Unis de l'invasion, mais les missiles capables d'atteindre Tel-Aviv peuvent dissuader Israël de lancer une attaque nucléaire contre l'Iran. <br />Parmi les trois choix disponibles aux Etats-Unis face à cette situation—veto, acceptation du nucléaire civil, acceptation du cycle complet de combustion—nous avons émis l'hypothèse que les Etats-Unis choisiront la deuxième, i.e. le fonctionnement de la centrale civile. L'option du veto nécessiterait de la part des Etats-Unis une intervention militaire ou un sabotage, des pressions sur la Russie, ou l'incitation aux troubles internes et au changement de régime. L'acceptation du nucléaire civil peut être liée à des mesures supplémentaires de démocratisation en Iran, notamment par le biais de contrats de fourniture d'uranium enrichi. L'Europe et l'AIEA peuvent jouer un rôle important pour l'implémentation de celui-ci. <br />L'accélération du processus de démocratisation fournira plus de possibilités de coopération entre l'Iran et les Etats-Unis. Les intérêts communs des deux pays, gaz, pétrole et son passage libre garanti par la sécurité de la région fournissent des opportunités de coopération entre les deux nations. Cela doit d'abord passer par l'abandon d'une rhétorique hostile des deux côtés et la prise en considération des besoins légitimes de l'Iran en matière de sécurité. Des mesures à moyen et long terme nécessitent le renforcement du processus de démocratisation en Iran et peuvent aller, au delà de la coopération économique, jusqu'à la fourniture commune de sécurité dans le Golfe persique.

Nous étudions la génération, le stockage et la<br />manipulation d'états non classiques de la lumière et des atomes<br />grâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champs<br />optiques en cavité.<br /><br />Après avoir généré expérimentalement des états comprimés et<br />intriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieu<br />Kerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de tels<br />états dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction des<br />fluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard.<br /><br />Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stocker<br />les fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectif<br />d'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique à<br />atomes froids.<br /><br />Comme applications pour l'information quantique nous étudions<br />l'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, la<br />réalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec des<br />spins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateurs<br />mécaniques.

Ce mémoire présente le développement d'une nouvelle génération d'étalons de fréquence optique utilisant des atomes piégés. La stabilité de fréquence d'une telle horloge sera limitée dans un premier temps par le bruit de l'oscillateur local. Nous discutons dans la première partie du mémoire de différents paramètres, comme le rapport cyclique ou la méthode d'interrogation, pouvant réduire les effets de ce bruit: la séquence temporelle du cycle d'horloge doit être optimisée. Avec l'oscillateur local que nous avons réalisé, un laser ultra-stable, la stabilité attendue est de quelques 10^-16 tau^-1/2 soit près de deux ordres de grandeurs mieux que les fontaines atomiques actuelles. La deuxième partie du mémoire décrit une source d'atomes froids de strontium performante, étape essentielle pour réduire le temps de préparation des atomes dans le cycle. Enfin, nous rapportons la mesure de la transition d'horloge 1S0-3P0 du ^87 Sr avec une résolution de 15 kHz.

FO1, du laboratoire BNM-SYRTE, a été la première fontaine à Cs fonctionnant comme un étalon primaire de fréquence dans le monde. La dernière évaluation d'exactitude en 2002 était de 1x 10^-15 avec une mélasse optique. Travaillant comme instrument, FO1 a contribué à la physique fondamentale et à des mesures extrêmement précises: - la comparaison de la fréquence entre les fontaines à Cs et à Rb pendant un intervalle de 5 ans a fixé une limite supérieure à la variation possible de la constante de structure fine |alpha/alpha|< 2x10^-15 par an. L'évaluation est environ 5 fois meilleure que celle obtenue précédemment au laboratoire. - l'exactitude attendue pour l'horloge spatiale PHARAO est de 1x10^-16. Nous avons confirmé les performances de la cavité Ramsey en examinant la différence de phase entre les deux zones d'interaction dans la fontaine FO1. - le déplacement de fréquence mesuré dans l'horloge à Cs dû au rayonnement du corps noir en fonction de la température T a donné par nu(T)=154(6)x10^-6(T/300)^4[1+epsilon(T/300)^2] Hz avec la valeur théorique epsilon=0,014. Ce résultat représente une amélioration d'un facteur 3 par rapport à la mesure précédente par le groupe PTB. Diverses améliorations ont été apportées à FO1. La nouvelle version de FO1 fonctionne directement en mélasse optique en utilisant un jet de césium ralenti comme source atomique. L'application de la méthode du passage adiabatique pour la sélection du niveau F=3, mF=0 nous permet d'évaluer le déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids et à l'effet d'entraînement de fréquence par la cavité au niveau de 10^-16. Les résultats récemment obtenus avec l'horloge FO1 améliorée montrent qu'elle est l'une des meilleures fontaines au monde: la stabilité de fréquence en utilisant l'oscillateur cryogénique en saphir est maintenant de 2,8x10^-14 tau^-1/2. L'exactitude est en cours d'évaluation. Quelques 10^-16 sont attendus.

Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.

Ce mémoire rapporte les premiers résultats d'une expérience visant à développer une horloge optique à atomes de strontium piégés. Ce dispositif réunit les avantages des différentes techniques utilisées jusqu'à présent pour réaliser un étalon de fréquence atomique. La première partie décrit la réalisation de la source d'atomes froids. Un piège magnéto-optique fonctionnant sur la transition 1S0-1P1 à 461nm est chargé à partir d'un jet atomique décéléré par un ralentisseur Zeeman. La source à 461nm est réalisée par somme de fréquence dans un cristal de KTP. Dans la deuxième partie sont détaillées les étapes mises en oeuvre pour effectuer la détection par excitation directe de la transition d'horloge 1S0-3P0 du 87Sr, de 1mHz de largeur de raie théorique. Préalablement à cette observation, une première estimation de la fréquence de la transition d'horloge a été obtenue en mesurant la fréquence absolue de plusieurs résonances optiques plus largement permises.