Les gaz d'atomes ultrafroids offrent des possibilités sans précédent pour la réalisation et la manipulation des systèmes quantiques. Le contrôle exercé sur les interactions entre particules permet d'atteindre le régime de fortes interactions, pour des espèces d'atomes à la fois fermioniques et bosoniques. Dans la limite unitaire, où la force d'interaction est à son maximum, des propriétés universelles émergent. Pour les atomes bosoniques, celles-ci comprennent l'effet Efimov, l'existance surprenante d'une séquence infinie d'états liés à trois corps. Dans cette thèse, nous avons étudiés un système de bosons unitaires. Partant des cas à deux et à trois corps, nous avons montrés que le modèle choisi capturait correctement les caractéristiques universelles de l'effet Efimov. Pour le modèle à N-corps, nous avons développé un algorithme de Monte Carlo quantique capable de réaliser les différentes phases thermodynamiques du système : gaz normal à haute-température, condensat de Bose-Einstein, et liquide d'Efimov. Un unique composant de notre modèle resterait pertinent à la limite de température infinie, à savoir la répulsion corps dur à trois corps, qui constitue une généralisation du potentiel classique entre sphères dures. Pour ce modèle, nous avons proposé une solution au problème d'empilement compact en deux et trois dimensions, fondée sur une Ansatz analytique et sur la technique de recuit simulé. En étendant ces résultats à une situation de pression finie, nous avons montré que le système présente une transition de fusion discontinue, que nous avons identifié à travers la méthode de Monte Carlo. / Ultracold atomic gases offer unprecedented possibilities to realize and manipulate quantum systems. The control on interparticle interactions allows to reach the strongly-interacting regime, with both fermionic and bosonic atomic species. In the unitary limit, where the interaction strength is at its maximum, universal properties emerge. For bosonic atoms, these include the Efimov effect, the surprising existence of an infinite sequence of three-body bound states. In this thesis, we have studied a system of unitary bosons. Starting from the two- and three-body cases, we have shown that the chosen model correctly captures the universal features of the Efimov effect. For the corresponding many-body problem, we have developed a quantum Monte Carlo algorithm capable of realizing the different thermodynamic phases in which the system may exist: The high-temperature normal gas, Bose-Einstein condensate, and Efimov liquid. A single ingredient of our model would remain relevant in the infinite-temperature limit, namely the three-body hard-core repulsion, which constitutes a generalization of the classical hard-sphere potential. For this model, we have proposed a solution to the two- and three-dimensional packing problem, based on an analytical ansatz and on the simulated-annealing technique. Extending these results to finite pressure showed that the system has a discontinuous melting transition, which we identified through the Monte Carlo method.

Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons. / Controllably producing optical photons and making them interact are two key requirements for the development of long-distance quantum communications, and more generally for photonic quantum information processing. This thesis presents experimental studies on possible solutions to these two problems, using the conversion of the photons into collective excitations (polaritons) in a cold atomic cloud, inside the mode of a low-finesse optical cavity (~100). Firstly, ground-state polaritons are used to store a single excitation in the cloud memory. This polariton is then efficiently converted into a single photon, whose field is characterized via homodyne tomography. The single photon state’s Wigner function is reconstructed from the experimental data and exhibits negative values, demonstrating that the photon’s degrees of freedom (spatio-temporal mode and quantum state) are well controlled. Secondly, photons can be coupled to polaritons involving Rydberg states. The strong dipolar interactions between these give rise to very strong optical dispersive nonlinearities, that are characterized in a classical excitation regime. These nonlinearities can be amplified until a single photon is enough to modify the entire system’s response, allowing in principle for the generation of effective photon-photon interactions.

La plupart des objets quantiques individuels développés jusqu’à aujourd’hui ne permettent pas de satisfaire toutes les conditions nécessaires pour la construction d’un simulateur quantique. Une possibilité pour obtenir un système quantique robuste est de combiner plusieurs de ces approches. Dans cette thèse, nous décrivons les résultats obtenus sur deux systèmes expérimentaux développés dans ce but.La première partie de cette thèse décrit un système hybride d’atomes neutres couplés à des qubits supraconducteurs, en construction à l’Université du Maryland. La solution envisagée pour placer un ensemble d’atomes froids à proximité de la surface supraconductrice est de piéger les atomes dans le champ évanescent se propageant autour d’une fibre optique nanométrique. Nous avons développé un dispositif permettant la production de fibres optiques nanométriques de transmission optique supérieure à 99.95% dans le mode fondamental. Nous avons également optimisé la transmission de quelques modes d’ordres supérieurs, ce qui pourra s’avérer utile pour le piégeage d’atomes.La seconde partie de cette thèse décrit un système développé à l’Institut d’Optique et comprenant des atomes neutres piégés dans des matrices de pinces optiques. Dans ce cas, nous excitons les atomes dans des états de Rydberg afin de bénéficier de fortes interactions interatomiques. Nous avons caractérisé les interactions de van der Waals et les interactions résonantes entre deux atomes individuels, et démontré le caractère cohérent de l’interaction dipolaire. Nous avons enfin simulé la dynamique d’une chaine élémentaire de spins dans une matrice de trois atomes / Most platforms that are being developed to build quantum simulators do not satisfy simultaneously all the requirements necessary to implement useful quantum tasks. Robust systems can be constructed by combining the strengths of multiple approaches while hopefully compensating for their weaknesses. This thesis reports on the progress made on two different setups that are being developed toward this goal.The first part of this thesis focuses on a hybrid system of neutral atoms coupled to superconducting qubits that is under construction at the University of Maryland. Sub-wavelength diameter optical fibers allow confining an ensemble of cold atoms in the evanescent field surrounding the fiber, which makes them ideal for placing atoms near a superconducting surface. We have developed a tapered fiber fabrication apparatus, and measured an optical transmission in excess of 99.95% for the fundamental mode. We have also optimized tapered fibers that can support higher-order optical modes with high transmission, which may be useful for various optical potential geometries.The second part of this thesis focuses on a system of neutral atoms trapped in arrays of optical tweezers that has been developed at the Institut d’Optique. Placing the atoms in highly excited Rydberg states allows us to obtain strong interatomic interactions. Using two individual atoms, we have characterized the pairwise interactions in the van der Waals and resonant dipole-dipole interaction regimes, providing a direct observation of the coherent nature of the interaction. In a three-atom system, we have finally simulated the dynamics of an elementary spin chain

Ce travail vise à contribuer à l’amélioration de notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés, par des mesures de haute précision dans des états exotiques de la matière. Bien que notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés et du problème relativiste à plusieurs corps aient fait des progrès importants ces dernières années, il reste des questions fondamentales dont la résolution nécessite d’augmenter le nombre et la précision des tests expérimentaux. La première partie de ce travail a été réalisée dans le cadre de l’expérience récente sur les ions muoniques d’hélium (μ4He+ et μ3He+) conduite par la collaboration CREMA. Cette expérience vise à fournir de nouvelles valeurs précises pour les rayons de charge moyens des noyaux des isotopes stables de l’hélium. Ces valeurs sont extraites de la mesure du déplacement de Lamb, c’est-à-dire, de la mesure de la différence d’énergie entre les États 2S − 2P. Une mesure des énergies de transition d’une précision d’au moins 50 ppm, permet de déterminer les rayons de charge des noyaux des isotopes d’hélium avec une incertitude de 0,03%, dix fois plus précise que les résultats précédents obtenus à partir de la diffusion d’électrons. La deuxième partie de ce travail a été de réaliser des mesures de haute précision de transitions de rayons X dans des ions fortement chargés, à l’aide d’un spectromètre à double cristal plan. Ces ions étaient produits dans le plasma d’une source d’ions de type ECRIS (electron-cyclotron resonance ion source). Le spectromètre utilisé est non seulement capable de fournir des mesures de haute précision, mais aussi des mesures sans référence à des énergies de transition théorique ou expérimentales. Quatre énergies de transition de n = 2 → n = 1 ont été mesurées pour des ions d’argon de trois états de charge différents, héliumoïde, lithiumoïde et berylliumoïde, avec une précision meilleure que 3 ppm. La largeur naturelle de chaque raie a également été obtenue expérimentalement. Les résultats trouvés sont en excellent accord avec les calculs théoriques les plus récents. / This work aims to provide insight on Bound-State Quantum-Electrodynamics (BSQED) by experimental fundamentals high-precision tests in exotic states of matter. Although BSQED and the relativistic many-body problem have been undergoing important progress, there are still some issues that require the increase of the number and accuracy of experimental fundamental tests. The first part of this work was done within the framework of the recent experiment in muonic helium ions (μ4He+ and μ3He+) by the CREMA collaboration. This experiment, aims to provide new accurate values for the root-mean-square (rms) charge radii of the helium isotopes nuclei that are extracted from the measurement of the Lamb Shift, i.e., the measurement of the energy difference between the 2S − 2P states. With the goal of measuring the transition energies with an accuracy of at least 50 ppm, the rms charge radii of the helium isotopes will be determined with an uncertainty of 0.03%, a factor of ten more precise than previous results obtained from electron scattering. The second part of this work aims the high-precision measurement of x-ray transitions in Highly-Charged Ions (HCI) using a Double-Crystal Spectrometer (DCS). These ions were produced in the plasma of an Electron-Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS). This kind of spectrometer is able not only to provide high-precision measurements but also reference-free measurements, without reference to any theoretical or experimental energy. Four transitions energies from n = 2 → n = 1 have been measured in an argon plasma in three different charge states, He-, Be- and Li-like, with an accuracy of better than 3 ppm. Besides the energies, the natural width of each transition has also been experimentally obtained. The obtained results are in excellent agreement with the most recent theoretical calculations.

Les processus élémentaires hétérogènes à l’interface gaz-solide présentent un intérêt fondamental dans de nombreux domaines tels que la catalyse hétérogène, la chimie atmosphérique et des milieux interstellaires, la rentrée atmosphérique de véhicules spatiaux ou encore la description des interactions plama-paroi. Cette thèse a pour objet l’étude de la dynamique des processus de collision non réactive de l’azote N2 sur une surface de tungstène W(100) et des processus de recombinaison moléculaire de l’hydrogène H2 sur des surfaces de tungstène W(100) et W(110). Leur dynamique quasi classique est simulée au moyen de surfaces d’énergie potentielle préalablement construites à partir de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité. Un potentiel multi-adsorbats est notamment développé pour tenir compte du taux de couverture de surface afin d’étudier la compétition entre la recombinaison directe, de type Eley-Rideal et la recombinaison par « atomes chauds » après diffusion hyperthermique d’un atome sur la surface. / Heterogeneous elementary processes at the gas-solid interface are ofgreat interest in many domains such as heterogeneous catalysis, atmospheric and interstellar media chemistry, spacecraft atmospheric re-entry and plasma-wall interactions description. This thesis focus on the dynamics of nitrogen, N2, non reactive scattering on a tungsten W(100) surface and hydrogen, H2, recombination processes on tungsten surfaces W(100) and W(110). The quasiclassical dynamics of these processes is simulated using potential energy surfaces based on density functional theory calculations. In particular, a multi-adsorbate potential is developed to include surface coverage in the dynamics simulation in order to scrutinize the interplay between both direct abstraction, the so-called Eley-Rideal recombination,and the Hot-Atom recombination process after hyperthermal diffusion on the surface

Ce manuscrit présente différentes études expérimentales qui s'inscrivent dans le cadre d'une recherche dont l'objectif est la réalisation d'un “laser à atomes” continu et intense. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental qui permet de mettre en oeuvre le refroidissement par évaporation forcée d'un jet atomique guidé magnétiquement. Le gain observé, d'un facteur 10, sur la densité dans l'espace des phases est limité par la dynamique collisionnelle du jet.<br />Pour améliorer les performances du refroidissement, il apparaît nécessaire de développer de nouvelles techniques expérimentales. Nous détaillons ainsi une nouvelle méthode d'évaporation très efficace, par mise en contact des atomes du jet avec une surface matérielle.<br />Les autres études menées portent sur la production et la manipulation de nuages atomiques ultra-froids. La première consiste à ralentir des paquets atomiques par réflexion sur un miroir magnétique mobile. La seconde permet la capture et le refroidissement d'une succession de paquets atomiques dans un train de pièges de Ioffe-Pritchard. La dernière technique met en oeuvre un piège dipolaire, produit par un faisceau laser de forte puissance, afin de produire puis de mettre en mouvement des paquets atomiques ultra-froids très denses. Nous présentons enfin un nouveau protocole d'imagerie par absorption donnant accès à des mesures quantitatives et précises des nuages atomiques optiquement épais que nous produisons.

Le cycle du thorium (232Th/233U) présente des caractéristiques moins polluantes que celui utilisé actuellement dans les combustibles des réacteurs nucléaires (U/Pu). Depuis une dizaine d'années, il fait l'objet d'un vaste programme de mesures dont l'objectif est d'atteindre une précision des données neutroniques des noyaux clés du cycle (232Th, 233Pa et 233U) comparable à celles du cycle U/Pu. Ce travail s'inscrit dans ce cadre d'études et consiste à mesurer les sections efficaces de fission induites par neutrons rapides (de 1 à 7 MeV) des noyaux 232Th et 233U avec une incertitude inférieure à 5 %. Ces mesures impliquent de déterminer le taux de fission émis par la cible, le nombre d'atomes composant la cible et le flux de neutrons arrivant sur celle-ci. Cette dernière quantité a été obtenue en utilisant comme réaction de référence, la diffusion élastique (n, p) dont la section efficace est la mieux connue sur un large domaine en énergie de neutron (~ 0,5 % de 1 eV à 50 MeV) comparée à celle de la réaction 235U(n, f). Cette technique a été appliquée pour la première fois à ces deux noyaux. Un modèle statistique de type Hauser- Feshbach a été également développé dans ce travail. Il a permis de décrire les différentes voies de désexcitation du noyau composé 234U pour des énergies de neutron de 0,01 à 10 MeV. Les paramètres de ce modèle ont été ajustés afin de reproduire la section efficace de fission mesurée de 233U. A partir de ces paramètres, les sections efficaces des réactions suivantes ont pu être extraites : diffusion inélastique 233U(n, n'), capture radiative 233U(n, γ) et 233U(n, 2n). Ces sections efficaces évaluées, dont les mesures sont encore difficilement réalisables, permettent de combler le manque de données expérimentales concernant 233U, le noyau fissile de la filière thorium.

Le travail théorique présenté dans ce manuscrit étudie deux aspects complémentaires de l'optique atomique cohérente. <br /><br /> Un premier volet étudie les perspectives offertes par les sources atomiques cohérentes par la conception de deux expériences, impliquant la mise en lévitation d'un échantillon atomique froid par une série périodique d'impulsions lumineuses, et pour lesquelles des nuages cohérents sont particulièrement adaptés. Ces systèmes s'apparentent à des interféromètres atomiques à ondes multiples. Ils présentent l'originalité de fusionner les dispositifs de piégeage et d'interrogation des atomes usuellement distincts. Afin d'obtenir un confinement transverse du nuage, un nouveau type de lentille atomique a été conçu, qui repose sur l'interaction d'une onde atomique avec un faisceau laser de front d'onde sphérique. La sensibilité du piégeage de l'échantillon par rapport à l'accélération gravitationnelle ou à la fréquence des impulsions lumineuses est exploitée pour effectuer la mesure. Ces systèmes constituent des résonateurs à ondes atomiques dans l'espace des impulsions, ce qui apparaît comme un concept nouveau en optique atomique.<br /><br />Un second volet développe de nouveaux outils théoriques – inspirés pour la plupart de l'optique - permettant d'appréhender la propagation de sources atomiques. Une méthode de propagation dans l'espace des phases, fondée sur l'évaluation de moments d'un nuage atomique, a été développée et appliquée à la caractérisation de la dynamique des modes de basse énergie d'un condensat de Bose-Einstein. Une extension de la méthode ABCD de propagation des ondes atomiques incluant de façon perturbative les effets non-linéaires des interactions atomiques a été développée. Un traitement de l'extraction d'un laser à atomes permettant de caractériser les effets de caustique dans le faisceau émis, réalisé en collaboration avec le groupe d'optique atomique de l'Institut d'Optique, est exposé. Enfin, un facteur de qualité adapté à la caractérisation de faisceaux à ondes de matière dilués dans un régime général de propagation a été proposé.

EXPERIENCES AVEC DES ATOMES DE RYDBERG ET DES MOLECULES ULTRA-FROIDS.

Une connaissance précise des propriétés de collision entre atomes froids est essentielle pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein ou la formation de molécules froides. Dans ces expériences, les phénomènes importants ont lieu principalement à des distances interatomiques grandes, c'est-à-dire dans la zone asymptotique. Nous avons développé une méthode purement asymptotique qui nous permet de décrire les propriétés collisionnelles des atomes alcalins froids sans avoir recours à la partie interne des potentiels moléculaires, qui est connue avec une précision moindre. Le point clé de la méthode est l'utilisation des lignes de noeuds, qui sont des lignes joignant les noeuds des fonctions d'onde radiales successives proches du seuil de dissociation du fondamental. Dans le cadre de l'approximation de Born-Oppenheimer, l'utilisation de ces lignes de noeuds, obtenues par intégration de l'équation de Schrödinger radiale dans la zone asymptotique uniquement, fournit un moyen simple pour déterminer des longueurs de diffusion à partir des positions expérimentales de niveaux liés. La méthode a ensuite été étendue au cas des potentiels couplés. Elle apparaît comme une véritable méthode paramétrique dans laquelle quelques paramètres décrivant des lignes de noeuds bien choisies remplacent la partie interne des potentiels. Ces paramètres sont ajustés sur des résultats expérimentaux. Une fois ces paramètres connus, toutes les propriétés de collision telles que les longueurs de diffusion, les décalage en fréquence des horloges atomiques ou encore les résonnances de Feshbach induites par un champ magnétique, peuvent en principe être déduites. Cette méthode a été utilisée pour obtenir les propriétés de collision des atomes de sodium et de césium ultrafroids.