Dans cette exposé, je présenterai quelques résultats théoriques et expérimentaux sur la dynamique des fluides classiques et quantiques. Dans une première partie, je présenterai un bref exposé sur la nucléation de gouttes de pluie en montrant le rôle de l'instabilité classique de Rayleigh Taylor dans la limitation de leur taille, et j'étudierai ensuite leur impact sur des surfaces non mouillantes. Je passerai ensuite aux gaz de fermions ultra-froids et nous verrons comment des expériences récentes ont permis de préciser le lien existant entre supraconductivité et condensation de Bose-Einstein.

Les propriétés exacerbées des atomes de Rydberg ont permis d'étendre les possibilités offertes par les atomes froids dans la création de gaz d'atomes en très forte interaction, avec des applications notamment en simulations quantiques, dans la physique à N corps ou dans la réalisation de portes quantiques grâce au phénomène de blocage dipolaire. L'utilisation des atomes de Rydberg froids est cependant actuellement limitée par le fait qu'il n'est pas possible de continuer d'appliquer les techniques expérimentales de manipulation optique avec les atomes à un électron actif. L’attention de la communauté des atomes de Rydberg froids s’est donc récemment portée sur les atomes à deux électrons actifs qui offrent la possibilités, une fois l’un des deux électrons excité vers un état de Rydberg, de disposer d’un second électron optiquement actif qu’il va être possible de manipuler par laser. L’objectif de cette thèse est d’étendre les techniques de manipulation optique aux atomes à deux électrons actifs excités dans des états de Rydberg, dans le cas de l’atome d’ytterbium. Elle présente d’une part la conception et l’assemblage du dispositif expérimental permettant l’obtention d’une source d’atomes de Rydberg froids d’ytterbium. A terme, ce montage permettra la manipulation optique de ces atomes de Rydberg. D’autre part, elle présente le développement d’un modèle numérique implémentant la théorie du défaut quantique à plusieurs voies pour permettre la détermination théorique du spectre énergétique de l’ytterbium ainsi que son comportement sous l’effet de perturbations extérieures. / The exacerbated properties of Rydberg atoms have extended the possibilities offered by cold atoms in creating atomic gases in very strong interaction with applications including quantum simulations in many-body physics or in achieving of quantum gates with the dipole blocking phenomenon. The use of cold Rydberg atoms is however currently limited by the fact that it is not possible to continue to apply the experimental techniques of optical manipulation with the atoms to an active electron. The attention of the Rydberg atoms cold community is recently focused on the two active electron atoms offering possibilities, once one of the two electrons excited to a Rydberg state, to provide a second optically active electron that it will be possible to manipulate with laser light.The objective of this thesis is to extend the optical manipulation techniques to atoms with two active electrons excited in Rydberg states, in the case of the ytterbium atom. It has on the one hand the design and assembly of the experimental apparatus for obtaining a source of cold Rydberg ytterbium atoms. Ultimately, this device will allow the optical manipulation of these Rydberg atoms. Furthermore, it presents the development of a numerical model that implements the multichannel quantum defect theory to the theoretical determination of the energy spectrum of ytterbium and its behavior under the influence of external perturbations.

Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible. / Rydberg atoms offer an ideal platform for the study of long-range interacting systems.However, usual techniques for imaging and trapping are unavailable in alkali Rydberg atoms. Our approach rely on the use of a two-optically-active-valence-electrons atom such as ytterbium. Ionic core transitions of this atom offer new perspecives for optical manipulation in the Rydberg state. However,questions remain open, especially on the possibilities of avoiding the autoionization, process which occurs when the atom is doubly excited.In this thesis, we report on the construction of the experiment, from the cooling and trapping of theatoms to the excitation in Rydberg states. Because of the interactions between valence electrons, the spectroscopy of these highly excited states is relatively complicated. An experimental study, coupled to a multi-channel quantum defect analysis (MQDT) has been done on the s,p,d and f Rydberg series. This study produced an improvement on the precision of the spectroscopy of this series by more than two orders of magnitude. We then studied the isolated core excitationon the 6s1/2 -> 6p1/2 transition for Rydberg states of large orbital quantum numbers (l=5-9). This study showed that auto-ionisation is mostly due to the coupling to the continuum of the 5d3/2 core state. In opposition to the barium atom, where auto-ionisation drops rapidly with the orbital quantum number, we have shown that ytterbium is less favourable to that extent. Thanks to this study we will be able to determine which states are good candidates for the optical manipulation.

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.

Ce mémoire décrit la conception, la construction et la caractérisation d'un appareil capable de piéger et refroidir des atomes fermioniques de 6Li et 40K à des températures ultrabasses. L'étude des mélanges des gazes de Fermi dégénérés ouvre la porte vers la création des nouveaux systèmes quantiques à N corps. Nous présentons une nouvelle technique de refroidissement laser capable de refroidir simultanément 6Li et 40K à des températures sub-doppler basée sur un schéma de molasses grises fonctionnant sur la transition atomique D1. Cette stratégie améliore la densité dans le espace des phases des deux espèces atomiques à 104, la valeur la plus élevée rapportée dans la littérature pour le refroidissement laser du 6Li et du40K. L'optimisation d'un dispositif capable de transporter un nuage atomique piégé magnétiquement de l'enceinte MOT à une cellule de science est décrite. Dans cette cellule on effectue du refroidissement évaporatif d'abord dans un piège magnétique quadripolaire dont le zéro du champ est interdit par un potentiel répulsif et après dans un piège optique dipolaire. Nous rapportons la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.1x106 atomes de 40K dans un piège dipolaire croisé avec T/TF = 0.27,ouvrant la voie à la création des superfluides de 40K en interactions fortes. / This thesis describes the design, construction and characterization of an apparat us capable of trapping and cooling fermionic atoms of 6Li and 40K to ultracold temperatures.The study of mixtures of degenerate Fermi gases opens the door for the creation of new many-body quantum systems.We present a novel laser cooling technique able to simultaneously cool 6Li and 40K to the sub-Doppler regime based on the gray molasses scheme operating on the D1 atomic transition. This strategy enhances the phase space density of both atomic species to 104, the highest value reported in the literature for laser cooled 6Li and 40K. The optimization of a device able to transport a magnetically trapped atomic cloud from the MOT chamber to a science cell is described. In this cell evaporative cooling is performed first in a plugged magnetic quadrupole trap and then in an optical dipoletrap. We report the production of a quantum degenerate Fermi gas of 1.1x106 atoms40K in a crossed dipole trap with T/TF = 0.27, paving the way for the creation of strongly interacting superfluids of 40K.

Un réseau optique, créé par des lasers, permet de piéger des atomes refroidis à ultra-basse température. Il permet d'obtenir une contrainte comme s'il s'agissait d'un cristal idéal (un cristal sans agitation thermique). Je décris les états des particules dans un potentiel périodique (un réseau optique) à l'aide d'ondes de probabilité (physique quantique) stationnaires (théorie indépendante du temps). Le caractère ondulatoire de la matière est exacerbé à très basse température et donne lieu à des phénomènes d'interférence et de résonance particuliers. / An optical lattice, created by lasers, can trap atoms cooled to ultra-low temperatures. It provides a constraint as if it were a perfect crystal (a crystal without thermal agitation). I describe the states of particles in a periodic potential (optical network) using probability waves (quantum physics) stationary (independent theory of time). The wave nature of the material is exacerbated at very low temperatures and gives rise to interference phenomena and individual resonance.

Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques. Nous produisons un laser à atomes de 87 Rb par couplage optique Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l'effet de la gravité. Nous montrons qu'à l'inverse d'une méthode d'extraction Radio-Fréquence l'impulsion transférée aux atomes permet de réduire la divergence et d'améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée. La dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF est également étudiée théoriquement. Nous détaillons ensuite les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d'hélium métastable (4He* ). Nous décrivons l'ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu'à leur transfert dans un piège dipolaire ou un réseau optique. L'ajout d'un multiplicateur d'électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piége magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d'atomes 4He* et le transférer, in-situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'avancement de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l'aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d'onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d'énergie entre ces puits, liée à l'incrément d'énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de dn/nB = 1,8.10-6 à l'état de l'art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d'un système de refroidissement évaporatif, afin d'augmenter le nombre d'atomes par puits, permet désormais d'explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011-1012 at/cm3, il est montré qu'un phénomène d'auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d'écho de spin. L'impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d'onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d'onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s'affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude. / This thesis presents the recent progress on the FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) experiment which aims at measuring short range forces between an atom, trapped in a vertical optical lattice, and a mirror. Stimulated Raman transitions are used to induce coherent transport between adjacent lattice sites to perform atom interferometry in order to measure with very high sensitivity, shifts in the Bloch frequency nu_B, which is the potential increment between two lattice sites. For low atomic densities, we demonstrate a local force sensor with state-of-the art relative sensitivity on the Bloch frequency of deltanu/nu_B= 1.8x10-6 at 1 s. The recent use of evaporative cooling, in order to increase the number of atoms per well, allows to work the experiment with much denser atomic clouds where atom interactions cannot be neglected. At densities of 1011-1012 at/cm3, it is shown that a spin self-rephasing mechanism competes with the spin-echo technique. The impact of the former mechanism onto the contrast and the measured frequency is studied in an interferometer where the two partial wave packets perfectly overlap. First measurements are then performed in a regime where the two partial wave packets are spatially separated. They show a different behaviour that remains to be modelled. Finally, it is shown that the measurement protocol allows to greatly reduce collisional shifts: atom interactions limit the sensitivity of the local force sensor without limiting its accuracy.

L’expérience I.C.E a pour objectif de tester le principe d’équivalence faible (WEP) à la base de la théorie de la relativité générale d’Einstein et postulant l’équivalence entre masse inertielle et masse grave. Si ce principe a toujours été vérifié jusqu’à aujourd’hui, il est d’un intérêt fondamental pour la physique moderne de poursuivre les mesures avec une précision accrue. En effet, de nouvelles théories d’unification de la mécanique quantique et de la relativité générale prévoient une violation de ce principe. Pour réaliser un test du WEP, il suffit de comparer les accélérations de deux objets en chute libre dans un même champ de gravitation, et c’est ce que réalise l’expérience I.C.E à l’échelle quantique (à la différence de la mission spatiale Microscope qui à ce jour a pu vérifier le WEP avec des objets macroscopiques avec une sensibilité sur le paramètre de 2.10−14). Ainsi, l’expérience consiste à réaliser, par une méthode interférométrique, la mesure de l’accélération de deux espèces atomiques (87Rb et 39K) de masses et de compositions différentes, en chute libre dans une enceinte à vide. La sensibilité de la mesure des effets inertiels auxquels les atomes sont sensibles (accélérations et rotations) est d’autant plus grande que la durée de chute libre des atomes est élevée et que la température des nuages est faible. Or, sur Terre au laboratoire, les atomes finissent par tomber au fond de l’enceinte les contenant sous l’effet de la gravité, ce qui limite grandement la sensibilité de la mesure. C’est pourquoi il est intéressant de placer l’expérience dans un environnement de micropesanteur dans lequel les atomes restent au centre de la chambre à vide afin d’atteindre des temps d’interrogation beaucoup plus longs. A ce titre, l’expérience est embarquée jusqu’à plusieurs fois par an, à bord de l’avion Zéro-g de la société Novespace. Les durées de micropesanteur proposées permettent d’atteindre des temps d’interrogation théoriques de l’ordre de la seconde ce qui doit porter le niveau de sensibilité à 10−11. Cependant, nous sommes aujourd’hui très fortement limités par le niveau élevé de vibrations et de rotations de l’avion : la perte de contraste des franges d’interférence engendrée ainsi que le bruit de phase introduit, ne nous permettent pas de dépasser des temps d’interrogation de 5 ms en 0 g. En parallèle, le laboratoire s’est récemment doté d’un simulateur de microgravité sur lequel est montée l’expérience, donnant accès à des temps d’interrogation de plus de 200 ms avec des trajectoires paraboliques d’une très bonne répétabilité (de l’ordre de 3 mg). La cohérence d’une source atomique étant directement reliée à sa température, l’utilisation de nuages ultra-froids est d’un grand intérêt pour améliorer le contraste des franges d’interférence, d’autant plus pour les longs temps d’interrogation visés. Le présent manuscrit synthétise les travaux ayant permis de produire le tout premier condensat de Bose-Einstein (la source atomique ultime) de 87Rb en microgravité par une méthode tout optique, et ce, de manière répétable toutes les 13,5 secondes. Nous démontrons l’efficacité de note méthode de chargement du piège dipolaire basée sur l’association d’un refroidissement par mélasse grise et d’une modulation spatiale des faisceaux dipolaires. Ces résultats ouvrent la voie vers de futures mesures interférométriques très sensibles à grand facteur d’échelle. / The I.C.E experiment aims at testing the weak equivalence principle (WEP) underlying Einstein’s theory of general relativity and which postulates the equivalence between inertial mass and gravitationnal mass. If this principle has always been verified until today, it is of fundamental interest for physics to continue the measurements with greater precision. Indeed, new unifying theories of quantum mechanics and general relativity predict a violation of this principle. To carry out a test of the WEP, it suffices to compare the accelerations of two objects in free fall in the same gravitationnal field. This is what the I.C.E experiment, on the quantum scale, achieves (unlike the spatial Microscope mission, which to date has been able to verify the principle of equivalence with macroscopic objects with a sensitivity on of 2.10−14). Thus, the experiment consists in performing, by an interferometric method, the measurement of the acceleration of two atomic species (87Rb and 39K) of different mass and composition in free fall in a vacuum chamber. The measurement sensitivity of the inertial effects to which the atoms are sensitive (accelerations and rotations) is all the greater as the free fall time of the atoms is high and their temperature is low. But on Earth, in the laboratory, the atoms eventually fall to the bottom of the vacuum chamber containing them under the effect of gravity, which greatly limits the measurement sensitivity achievable. This is why it is interesting to place the experiment in a microgravity environment in which the atoms stay in the center of the vacuum chamber in order to reach much longer interrogation times. As such, several times a year, the experiment is put aboard the aircraft Zero-g of the Novespace company. The available microgravity durations make it possible to reach theoretical interrogation times of the order of one second, which should raise the sensitivity level to 10−11. However, we are today very strongly limited by the high level of vibrations of the aircraft as well as its rotations : the loss of contrast of the interference fringes and the phase noise caused, do not allow us to exceed 5 ms of interrogation times in 0 g. Since the coherence of an atomic source is directly related to its temperature, the use of ultra-cold clouds is of great interest to improve the contrast of the interference fringes, especially for the long interrogation times targeted. In parallel, the laboratory is now equipped with a microgravity simulator on which is mounted the experiment, giving access to interrogation times of more than 250 ms with parabolic trajectories of a very good repeatability (of the order of 3 mg). This manuscript synthesizes the work that produced the very first 87Rb Bose-Einstein condensate in microgravity by all-optical methods, with a repetition rate of 13,5 seconds. We demonstrate the efficiency of our dipole trap loading method based on the association of a grey molasses cooling and a spatial modulation of the dipole beams. These results pave the way for future highly sensitive interferometric measurements with a large scale factor.

Au voisinage de la condensation de Bose-Einstein, les propriétés<br />collisionelles d'un gaz dilué d'hélium métastable (He $2^3S$) sont<br />gouvernées par les collisions Penning ionisantes, et par la longueur de diffusion. Afin de sonder ces propriétés, de nouvelles expériences de photo-association (PA) ont été entreprises dans lesquelles une paire d'atomes métastables absorbe un photon pour former une molécule électroniquement excitée. En particulier, des ``dimères géants" ont été produits, pour lesquels l'auto-ionisation est inhibée. Des spectres de raies ont été mesurés avec une grande précision par une méthode originale de détection ``calorimétrique". Parallèlement, les potentiels électroniques à longue distance d'une paire $2^3S+2^3P$ ont été calculés. Une approche asymptotique est présentée en détail, qui permet de reproduire avec un très bon accord les énergies de liaison des dimères géants obtenues expérimentalement.