Cette thèse traite des interactions à très longue portée entre atomes de Rydberg froids.<br />Elle présente les résultats de la première réalisation du blocage dipolaire, qui se traduit par<br />une limitation de l'excitation d'un ensemble d'atomes vers un état de Rydberg en raison du<br />déplacement des niveaux d'énergie lié aux interactions dipôle-dipôle entre atomes. L'importance<br />de l'implication du blocage dipolaire a été soulignée pour l'information quantique avec<br />la possible réalisation de portes quantiques conditionnelles à deux qubits. La mise en évidence<br />du blocage dipolaire est présentée dans le cadre de deux configurations expérimentales différentes<br />: en présence d'un champ électrique et à résonance de Förster. Parvenir à la maîtrise du<br />blocage dipolaire de l'excitation vers des états de Rydberg a demandé un contrôle important<br />des conditions expérimentales : compensation des champs parasites, contrôle des sources d'ionisation<br />d'atomes, contrôle de l'intensité laser d'excitation pour se placer en-dessous du seuil<br />de saturation par puissance. Des études complémentaires ont été réalisées, telle que celle des<br />forces dipolaires entre atomes de Rydberg responsables d'un phénomène d'ionisation Penning,<br />aussi à l'origine de la formation d'un plasma ultra-froid. Une autre étude concerne le processus<br />du transfert d'excitation à résonance de Förster, dont les propriétés de cohérence ont été<br />analysés par une technique spectroscopique originale dite de "creusement spectral".

La rétroaction quantique est un outil prometteur pour la réparation et la protection d'un état quantique. Elle entraîne un système quantique vers un état cible par l'action répétée d'une boucle de sonde-contrôlleur-actionneur. Néanmoins, sa réalisation expérimentale est très difficile, car elle doit surmonter une difficulté fondamentale: le processus de mesure modifie inévitablement et de façon aléatoire par une action en retour le système à contrôler. Nous avons réalisé un protocole de rétroaction quantique continue dans le cadre de l'électrodynamique quantique en cavité. Le système à contrôler est un mode de champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires interagissant avec le champ dispersivement servent de sondes. Ils effectuent des mesures quantiques non destructives du nombre de photons. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales, un ordinateur de contrôle estime en temps réel l'état du champ. Il commande ensuite la préparation des atomes de Rydberg circulaires à résonance pour absorber ou émettre des photons dans le but de stabiliser le champ autour de l'états de Fock cible. De cette façon, nous avons réussi à préparer à la demande et à protéger des états de Fock contenant 1 à 7 photons.

L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

Cette thèse présente des résultats obtenus par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés ''en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature ''non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic originale, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.

Ce mémoire porte sur le développement de deux outils pour réaliser des expériences d'optique atomique. Le premier de ces outils est une source qui produit un faisceau intense d'atomes d'hélium métastables. Elle est produite à partir d'un jet supersonique cryogénique d'hélium. On effectue plusieurs opérations de manipulation par laser afin d'augmenter l'intensité du jet atomique. On applique tout d'abord une mélasse optique transverse afin de collimater le faisceau atomique. Puis on décélère les atomes en utilisant la technique du ralentissement Zeeman. La faible masse de l'hélium a deux conséquences importantes sur le ralentissement: la distance nécessaire pour stopper les atomes est importante (~ 2 m), et le phénomène de diffusion transverse est particulièrement prononcé. Il faut donc recomprimer spatialement le jet atomique. Dans ce but, on utilise un dispositif original, le "concentrateur". Celui-ci permet de focaliser le jet atomique rapide en un point de son axe. Le gain d'intensité atomique au point focal est d'environ 20. La position transverse du point focal peut être balayée en appliquant un champ magnétique variable. Le deuxième outil développé est un miroir à atomes utilisant une onde évanescente. Pour pouvoir s'affranchir de l'émission spontanée pendant la réflexion, qui détruit la cohérence de l'onde de De Broglie réfléchie, il faut disposer d'une intensité lumineuse dans l'onde évanescente très importante. On utilise un système résonnant de couches minces diélectriques déposées sur un prisme pour "exalter" l'intensité de l'onde évanescente par plus de 3 ordres de grandeur. On emploie une méthode optique d'analyse de la lumière réfléchie par le prisme pour estimer le coefficient d'exaltation. Cette technique simple permet le contrôle in-situ de l'exaltation lors des expériences de réflexion d'atomes. Ce système a été utilisé pour réfléchir des atomes de rubidium avec une probabilité d'émission spontanée inférieure à 1 %.

Cette thèse présente deux expériences sur des gaz ultrafroids d'hélium métastable qui constituent l'extension, à des ondes de matière, d'expériences fondamentales en optique quantique. Le succès de ces expériences repose sur l'utilisation d'un détecteur d'atomes uniques capable de reconstruire la position des atomes en trois dimensions. Dans la première expérience nous avons comparé, sur le même dispositif expérimental, la fonction de corrélation à deux corps des atomes appartenant à un nuage froid de fermions identiques à celle d'un nuage froid de bosons identiques à la même température. Comme bosons et fermions suivent deux statistiques quantiques différentes, les deux fonctions de corrélation sont différentes : les bosons ont tendance à arriver groupés sur le détecteur, alors que les fermions ont tendance à arriver dégroupés, à cause du principe d'exclusion de Pauli. Dans la deuxième expérience nous avons étudié la corrélation entre paires d'atomes bosoniques générées dans la collision de deux condensats de Bose-Einstein. La mesure de la fonction de corrélation nous a permis de démontrer que les atomes d'impulsion opposée, dans le référentiel du centre de masse, sont corrélés par paires. De plus l'observation d'une corrélation de type Hanbury Brown Twiss entre paires d'atomes diffusés dans la même direction démontre que notre système ne peut pas être interprété en termes de mécanique classique, mais que la statistique bosonique y joue un rôle important. Une nouvelle génération de cette expérience permettra de mesurer la dépendance angulaire de la population des modes atomiques diffuses et d'étudier le squeezing de la différence de population entre modes opposés.

Ce manuscrit s'intéresse aux phénomènes de transport de la lumière en milieux désordonnés non linéaires, dans lesquels la lumière est susceptible de subir une redistribution en fréquence lors de la diffusion. Plus spécifiquement, il étudie la possibilité d'utiliser des vapeurs atomiques éclairées à résonance pour caractériser deux régimes singuliers de transport : le laser aléatoire et les vols de Lévy des photons. Nous commençons par introduire un formalisme standard d'étude du transport de la lumière dans une vapeur atomique diluée. Les équations de Bloch optiques décrivent la réponse d'un atome à un champ extérieur cohérent; elles permettent d'obtenir les sections efficaces qui caractérisent la marche aléatoire de la lumière dans le milieu. Le plus souvent, celle-ci peut être décrite par une équation de la diffusion. En présence de gain, l'équation de la diffusion prévoit un emballement de l'intensité diffuse lorsque l'échantillon dépasse une taille critique: c'est le laser aléatoire. La seconde partie de ce manuscrit étudie par une double approche théorique et expérimentale la possibilité d'obtenir du gain dans un nuage d'atomes froids, en le soumettant à un pompage optique externe; puis de le combiner à la diffusion pour obtenir un laser aléatoire. Dans la configuration de gain Raman hyperfin, qui ressort comme la meilleure candidate à cette fin, l'impact du rayonnement diffus piégé au sein du milieu sur l'émission de l'échantillon est clairement mis en évidence. La plupart des effets observées peuvent être expliquées par un modèle de piégeage radiatif, en l'absence de gain; certaines observations, cependant, pourraient être attribuées à un laser aléatoire. Dans une dernière partie, nous nous intéressons aux vapeurs atomiques chaudes dans lesquelles une redistribution en fréquence intervient du fait de l'effet Doppler y compris en milieu passif. Le phénomène crée des photons fortement désaccordés par rapport à la résonance atomique, qui sont faiblement diffusés et peuvent parcourir de longues distances dans le milieu. Ces évènements rares de grande amplitude brisent les hypothèses du modèle diffusif. Nous présentons ici un dispositif qui permet une mesure directe de la distribution de la taille des pas des photons dans une vapeur chaude de rubidium. Le résultat obtenu est caractéristique d'un régime de diffusion anormale dit de vols de Lévy.

Dans ce mémoire, nous présentons une étude à haute résolution de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente. Pour cette étude, nous avons utilisé des transitions Raman sélectives en vitesse. Ces transitions sont doublement exploitées. On réalise d'une part, à l'aide de ces transitions, une sélection en vitesse sur le nuage issu d'un piège magnéto-optique. Cette sélection permet de collimater spatialement l'onde atomique incidente sur le miroir afin d'avoir une bonne résolution dans l'étude de la spécularité. A l'aide des transitions Raman, on sonde finement d'autre part la distribution en vitesse des atomes après le rebond. La mise en place expérimentale de ces transitions est d'abord décrite. On utilise des impulsions de type Blackman. Avec ce dispositif,une mesure de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente est ensuite réalisée. Le rebond observé est compatible avec une réflexion spéculaire, à condition de choisir une onde évanescente suffisamment désaccordée par rapport à la transition atomique. Nous avons donné une limite supérieure de l'incertitude sur la mesure de la rugosité. Nous présentons également la mise en place d'une détection optique d'atomes froids induisant peu d'émission spontanée sur les atomes. Cette détection consiste à mesurer la phase induite par un échantillon d'atomes sur un faisceau laser en utilisant les techniques de spectroscopie par modulation de phase. Au cours de la détection, 80% des atomes n'absorbent aucun photon.

Ce manuscrit présente différents aspects expérimentaux et théoriques concernant un système<br />propre à l'optique atomique : le laser à atomes. Dans notre expérience, celui-ci est issu<br />d'un condensat de Bose-Einstein de Rubidium 87. Aussi, dans un premier temps, nous détaillons<br />les différentes techniques de refroidissement que nous mettons en oeuvre pour obtenir<br />cette source atomique cohérente dans un piège ferromagnétique hybride.<br />Les lasers à atomes que nous réalisons sont extraits du nuage condensé par radiofréquence,<br />et se propagent verticalement sous l'effet de la gravité. Une spécificité de notre expérience<br />réside dans le fort confinement magnétique utilisé, ce qui a pour conséquence de rendre importantes<br />les interactions collisionnelles entre le laser et le condensat-source. Nous montrons<br />que ceci a une influence, non seulement sur la dynamique de couplage du laser, mais aussi sur<br />sa propagation. Nous observons en effet une structure transverse du faisceau laser contenant<br />des caustiques. En utilisant des méthodes initialement développées pour l'optique photonique<br />(approximation iconale, intégrale de Fresnel-Kirchhoff, matrices ABCD), nous calculons la<br />fonction d'onde du laser à atomes. De plus, nous caractérisons la propagation de l'onde de<br />matière dans le régime paraxial à l'aide du facteur de qualité M2.<br />Enfin, nous rapportons la réalisation d'un laser à atomes guidé par un potentiel optique<br />horizontal, ce qui nous permet d'annuler l'accélération due à la gravité de telle façon à ce<br />que la longueur d'onde de De Broglie reste constante tout au long de la propagation.

Cette thèse porte sur le façonnage de lasers par holographie en vue de créer des potentiels dipolaires pour les atomes froids. Le dispositif expérimental utilisé pour façonner le laser et modifier sa phase est un modulateur spatial de lumière (SLM). Grâce à ce SLM, il est possible de fabriquer des faisceaux dont le centre est noir, appelés faisceaux creux. Ces derniers sont de bons candidats pour piéger des atomes froids lorsqu'ils sont utilisés avec un laser désaccordé vers le bleu. Les atomes sont alors attirés vers le centre noir du faisceau ce qui limite les pertes d'atomes par émission spontanée. Nous avons ainsi généré des modes de Laguerre-Gauss LG0l quasi-purs dans lesquels nous avons guidé des atomes froids. L'avantage de ces modes est que l'hologramme permettant de les produire, une hélice de phase, est analytique. Des résultats quantitatifs sur l'efficacité du guidage d'atomes dans ces modes ont été obtenus et comparés à un modèle calculant l'efficacité de capture. Dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à modifier l'hologramme en hélice analytiquement pour générer d'autres faisceaux creux. Afin de savoir quelle phase appliquer sur le SLM, nous avons développé un modèle pour connaître les caractéristiques du faisceau fabriqué en tout point de l'axe de propagation. Ce modèle est basé sur la décomposition du champ sur la base des modes de Laguerre-Gauss LGpl . Nous avons ainsi généré une ouverture dans la circonférence des Laguerre-Gauss et fabriqué des croix se transformant en polygones au cours de leur propagation. Ces potentiels permettent d'envisager de nouvelles expériences dont l'étude des systèmes chaotiques.