Les atomes sont des candidats intéressants pour l'information quantique, car leur neutralitée électrique devrait leur assurer un long temps de cohérence. Afin de pouvoir les manipuler un par un, nous avons choisi de les placer dans un piège dipolaire microscopique. Une analyse détaillée du nombre d'atomes piégés montre que celui-ci peut être compris entre 1 et 30, avec un réegime préférentiel de travail dans lequel les collisions inélastiques le limitent à un. Il est également possible de placer deux pièges dipolaires côte à côte, et donc de disposer de deux atomes, à quelques microns de distance. Dans le but d'intriquer ces deux atomes, il est important de connaître l'amplitude du mouvement des atomes piégés. Celle-ci se caractérise avec le paramètre de Lamb-Dicke, paramètre qui dépend des fréquences d'oscillation du potentiel dipolaire, mais aussi de la température des atomes. Ces deux grandeurs ont été mesurées expérimentalement, et montrent que le confinement est actuellement insuffisant. Il est donc nécessaire de refroidir les atomes davantage. Un autre champ d'investigation de cette expérience concerne le régime où le nombre d'atomes piégés est de l'ordre d'une trentaine. Nous avons alors démontré la possibilité d'évaporer le nuage atomique, et donc de le refroidir. Il devrait alors être possible d'obtenir des condensats de Bose-Einstein à très petit nombre d'atomes, et en régime de Lamb-Dicke.

Cette thèse se compose de deux parties. La première partie présente l'étude de la réalisation d'une lentille à atomes utilisant l'interaction dipolaire. Une étude théorique propose plusieurs séquences expérimentales possibles permettant la réalisation d'une lentille achromatique avec un grandissement contrôlable. Des tentatives de réalisation ont mis en évidence des pertes d'atomes induites par le laser utilisé. Le processus de photoassociation, fortement probable dans les conditions de l'expérience, est le responsable de ces pertes. La deuxième partie de cette thèse relate donc de l'enregistrement des spectres de photoassociation. L'analyse des spectres obtenus a été effectuée par la méthode des graphes de Lu-Fano, méthode souvent utilisée pour l'étude des séries de Rydberg. Appliqué aux trois séries vibrationnelles observées, la méthode a montré que la formule de LeRoy-Bernstein, établie pour décrire des niveaux vibrationnels situés dans la zone asymptotique du puits de potentiel moléculaire, doit être améliorée. Les deux améliorations proposées consistent à prendre en compte la région courte portée du puits de potentiel ainsi que le deuxième terme du développement multipolaire. Pour une troisième série, le graphe de Lu-Fano a mis en évidence un couplage dû à l'interaction spin-orbite et l'interaction spin-spin entre deux séries vibrationnelles. Le graphe a permis la caractérisation quantitative de ce couplage.

Ce mémoire présente deux expériences réalisées à l'aide d'un miroir à atomes à onde évanescente. Le miroir utilise la force dipolaire due à l'interaction entre les atomes et une onde évanescente créée par réflexion totale interne d'un faisceau laser à l'intérieur d'un prisme. Ces deux expériences montrent que, lors de leur réflexion, les atomes constituent une sonde des champs proches de la surface du prisme. La première expérience a permis la mesure de la force de van der Waals entre un atome de rubidium dans l'état fondamental et une paroi diélectrique. Lors de la réflexion, les atomes s'approchent très près de la surface du diélectrique (~ 50 nm) et sont donc sensibles à la force attractive de van der Waals due à la présence de la paroi. L'expérience consiste à mesurer la force dipolaire nécessaire pour équilibrer la force de van der Waals. Elle montre également le rôle crucial de la force de van der Waals dans le fonctionnement du miroir à atomes, d'une part, la réduction d'un facteur trois de l'efficacité du miroir et d'autre part, la modification de la forme du potentiel réflecteur total. La seconde expérience décrit la diffraction d'atomes en incidence normale sur un miroir modulé spatialement, créé à l'aide d'une onde évanescente partiellement stationnaire. Ce processus de diffraction est lié à la modulation de phase de l'onde de de Broglie lors de la réflexion et apparaît pour une modulation très faible du potentiel. Elle est similaire à la diffraction de Raman-Nath en optique traditionnelle. L'étude des populations dans les différents ordres de diffraction en fonction de la profondeur de modulation confirme quantitativement ce processus scalaire de diffraction.

Les atomes neutres piégés sont des candidats potentiels pour<br />l'implémentation de portes logiques quantiques. Dans ce contexte, cette étude<br />porte sur la réalisation d'un piège dipolaire optique de si petite taille qu'il<br />ne puisse contenir qu'un atome unique. Pour cela, il est nécessaire de<br />focaliser très fortement un laser à l'endroit où l'on désire capturer les<br />atomes. L'expérience s'articule donc autour d'un objectif de microscope de<br />grande ouverture numérique, entièrement conçu et réalisé au laboratoire. Cette<br />optique est utilisée pour faire focaliser un laser au centre d'un piège<br />magnéto-optique, réservoir d'atomes froids alimentant le piège dipolaire ainsi<br />créé.<br /><br />Le dispositif d'observation des atomes piégés est basé sur le même objectif,<br />qui collecte, avec une grande efficacité, la fluorescence des atomes piégés et<br />en fait l'image sur une caméra CCD ou une photodiode à avalanche. La résolution<br />spatiale du dispositif utilisant la caméra permet d'obtenir une image des<br />atomes capturés, alors que l'on utilise la rapidité de la photodiode à<br />avalanche pour les études de la dynamique du piège avec une bonne résolution<br />temporelle.<br /><br />Après une description détaillée de ce dispositif expérimental, nous montrons<br />qu'il est possible de réaliser des micro-pièges dipolaires optiques, de<br />quelques microns cube et contenant une dizaine d'atomes. L'étude de la<br />dynamique de chargement et de la durée de vie de ces pièges révèle également la<br />présence de processus de collisions à deux corps. Nous montrons ensuite qu'en<br />diminuant le taux de chargement il est possible d'observer, en temps réel, un<br />atome unique piégé pendant quelques secondes. Dans ce régime, un processus de<br />"blocage collisionnel" limite ce nombre d'atome à un. Pour finir, nous<br />décrirons la mise en place d'un double piège dipolaire, dans lequel on peut<br />piéger un atome unique dans chaque site. Ce dispositif ouvre la voie vers<br />l'étude de l'interaction entre atomes piégés individuellement.