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.

Ce travail de thèse se développe autour de trois expériences. La première concerne la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de rubidium. Dans le cadre de l'étude détaillée des effets systématiques, tels que la phase de Gouy ou l'effet Zeeman quadratique, nous avons développé une nouvelle source laser compacte et puissante (12W@780nm) permettant de réduire l'effet de la phase de Gouy d'un facteur 4. La deuxième expérience a porté sur la démonstration d'un nouveau schéma de gravimètre compact, s'appuyant sur les oscillations de Bloch pour faire léviter les atomes. Une mesure de l'accélération locale de la pesanteur a été réalisée avec une sensibilité préliminaire très prometteuse de 4.7E-7 g en 1s. La troisième expérience a permis d'obtenir un interféromètre atomique symétrique grâce à la technique de double diffraction Raman. Nous avons réalisé la chaîne de fréquences et le montage optique pour l'intégration de séparatrices à grand transfert d'impulsion (LMTBS) à base d'oscillations de Bloch. / This work developed around three experiments. The first one concerned the measurement of the ratio h/m between Planck's constant and rubidium atomic mass. We have carried out a thorough study of systematic effects, such as the Gouy phase or the quadratic Zeeman effect. The development of a new compact and high-power laser source (12W@780nm) allowed to decrease the effect of Gouy phase by a factor of 4. The second experiment revolved around the realization of a compact and precise gravimeter, using Bloch oscillations to maintain atoms against gravity. This allowed for a measurement of local gravity acceleration with a promising preliminary sensitivity of 4.7E-7 g in 1s. Finally, the third experiment consisted in the realization of the double diffraction technique, with the aim of implementing Bloch-oscillation-based large momentum transfer beamsplitters.

Ce manuscrit est motivé par la possibilité d’explorer de nombreux régimes quantiques grâce aux atomes froids : l’utilisation de résonances de diffusion rend possible un contrôle très fin des effets des interactions et l’ajout de pièges extérieurs permet de s’approcher de régimes de dimension réduite. Nous étudions ici quelques propriétés d’atomes froids piégés dans des guides d’onde uni- ou bidimensionnels au voisinage de résonances de Feshbach. En jouant sur l’intensité du confinement, on peut étudier la transition entre un système tridimensionnel et un système en dimension réduite. Nous modélisons les interactions par un modèle à deux voies qui inclut le couplage cohérent entre atomes et molécules de Feshbach. Nous mettons en évidence l’existence d’un régime unidimensionnel, que l’on peut décrire par un modèle de contact, et dans lequel la portée effective est un paramètre essentiel. Nous examinons alors le problème à trois corps dans ce régime pour des bosons ainsi que dans le régime équivalent pour des fermions totalement polarisés, en particulier leurs propriétés d’intégrabilité. Enfin, nous étudions le développement du viriel d’un gaz d’atomes froids. Nous démontrons, grâce à une approche diagrammatique, une généralisation de la formule de Beth et Uhlenbeck qui prend en compte à la fois les molécules de Feshbach et l’existence d’un guide d’onde. / This manuscript is motivated by the possibility of exploring many quantum regimes using cold atoms: interactions can be tuned very precisely by using Feshbach resonances and low-dimensional regimes can be approached with external potentials. Here, we study some properties of cold atoms trapped into uni- or bidimensional waveguides in the vicinity of a Feshbach resonance. The transition from a tridimensionnal to a low-dimensional system can then be studied by varying the intensity of the confinement. Interactions are described with a two-channel model that includes the coherent coupling between atoms and Feshbach molecules. We highlight a unidimensional regime, that can be described with a contact model and in which the effective range parameter is essential. Thus we investigate the three-body problem in this regime for bosons and also in the equivalent regime for totally polarized fermions, in particular their integrability properties. Finally, we study the virial expansion of a gas of cold atoms. Using a diagrammatic approach, we derive a generalization of the Beth and Uhlenbeck formula, that takes into account both the Feshbach molecules and the existence of a waveguide.

Cette thèse a pour objet de repousser les performances d'un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de Cesium sont refroidis par laser, piégés, et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l'effet Sagnac et est proportionnelle à l'aire physique qu'entourent les deux bras de l'interféromètre. Nous utilisons des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d'interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d'interrogation de 800 ms, nous parvenons à une aire physique de 11 cm^2. Le manuscrit décrit les améliorations apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d'alignement relatif des faisceaux Raman au niveau du microrad est présentée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d'interférer. La caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection sont également décrites. Nous démontrons une sensibilité de 160 nrad/s à 1 s, et une stabilité long terme de 1.8 nrad/s après 10 000 s d'intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du SYRTE de 2009, et d'un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d'interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale. / This thesis aims at pushing the performances of a cold atom interferometer principally sensitive to rates of rotation in a particular axis. In our experiment, Cesium atoms are laser cooled, trapped and launched in a fountain configuration. According to the Sagnac effect, the sensitivity of the interferometer to rotation is proportional to the area enclosed by the interferometer arms. We use stimulated Raman transitions to split the atoms in two paths and to form a folded Mach-Zehnder-like interferometer architecture using four Raman pulses. With an interrogation time of the atoms of 800 ms, we achieve a Sagnac area as high as 11 cm^2. The thesis describes the improvements to the experimental setup to operate the gyroscope with such a high Sagnac area. A procedure for the relative alignment of the Raman beams at the microrad level is presented, which is critical to meet the interference condition of the cold atoms at the interferometer output. The characterization and mitigation of the vibration noise, affecting the gyroscope, is also demonstrated. We finally demonstrate a short term rotation stability of 160 nrad/s at 1 s and a long term stability of 1.8 nrad/s after 10 000 s of integration time. This stability level represents a factor 5 improvement compared to the previous SYRTE gyroscope experiment of 2009 and a factor 15 compared to other published results. The thesis work also presents a new method of interrogation to operate the gyroscope without dead times, which is important for various applications of cold atom sensors in inertial navigation, geophysics and in fundamental physics.

Cette thèse a consisté à mettre en place une nouvelle expérience utilisant des atomes froids en interaction avec la lumière guidée par une nanofibre optique. Nous avons tout d'abord développé un banc de fabrication de nanofibres. En chauffant et étirant une fibre optique commerciale, on obtient un cylindre de silice de 400 nm de diamètre. La lumière guidée dans ces nanofibres est fortement focalisée sur toute la longueur de la fibre et exhibe de forts champs évanescents, ce qui permet d'obtenir une grande profondeur optique avec un faible nombre d'atomes. Après avoir inséré une nanofibre au milieu d'un nuage d'atomes, nous avons observé le phénomène de lumière lente dans les conditions de transparence électromagnétiquement induite. Nous avons aussi stoppé la lumière guidée et mémorisé l'information qu'elle contenait. Nous avons montré que ce protocole de mémoire optique fonctionne pour des impulsions lumineuses contenant moins d'un photon en moyenne. Ce système pourra donc être utilisé comme une mémoire quantique, un outil essentiel pour les futurs réseaux de communication quantique. Enfin, nous avons piégé les atomes dans un réseau optique au voisinage de la nanofibre grâce à de la lumière guidée par celle-ci. Par rapport à notre première série d'expériences, le nuage ainsi obtenu a un temps de vie plus long (25 ms) et interagit plus fortement avec la lumière guidée (OD ~ 100). Ce nouveau système devrait permettre d'implémenter efficacement d'autres protocoles d'optique quantique, comme la génération de photons uniques et l'intrication de deux ensembles atomiques distants. / We built a new experiment using cold atoms interacting with the light guided by an optical nanofiber. We first developed a nanofiber manufacturing bench. By heating and stretching a commercial optical fiber, a silica cylinder of 400 nm diameter is obtained. The light guided in these nanofibers is strongly focused over the whole length and exhibits strong evanescent fields. We then prepared a vacuum chamber and the laser system necessary for the manipulation of cold atoms. After inserting a nanofiber amid a cloud of cold atoms, we observed the phenomenon of slow light under the conditions of electromagnetically induced transparency: the light guided by the fiber is slowed down to a speed 3000 times smaller than its usual speed. We also stored the light guided by an optical fiber. After several microseconds, the information stored as a collective atomic excitation could be retrieved in the fiber. We have shown that this optical memory works for light pulses containing less than one photon on average. This system may therefore be used as a quantum memory, an essential tool for future quantum communication networks. Finally, we trapped atoms in an array in the vicinity of the nanofiber thanks to the light guided by the latter. Compared to our first set of experiments, the resulting cloud has a longer lifetime (25 ms) and interacts more strongly with the guided light (OD ~ 100). This new system should allow to efficiently implement other quantum optics protocols, such as the generation of single photons, or the entanglement of two remote atomic ensembles.

De nombreuses bactéries entrent en symbiose avec les métazoaires colonisant les habitats à base chimiosynthétique dans l'océan profond. Les hôtes auxquels elles apportent le carbone organique deviennent ainsi dépendants des bactéries sulfo-oxydantes et/ou méthanotrophes. Pour assurer la continuité de ces associations et la colonisation de nouveaux sites, des stratégies diverses de dispersion ont été développées par les animaux. Deux types de transmission des bactéries symbiotiques existent : la transmission verticale où elles sont transmises via les gamètes, et la transmission horizontale où elles sont acquises à partir de l¿environnement, depuis des populations de bactéries libres ou relarguées par d'autres hôtes. Cette thèse vise à répondre à des questions concernant les cycles de vie des symbiontes. La diversité et la distribution des formes libres de symbiontes et des bactéries apparentées dans plusieurs habitats réduits ont été étudiées par l¿analyse des séquences de l'ARNr 16S des bactéries colonisant des substrats organiques déployés dans l'Atlantique et la Méditerranée. La transmission maternelle des symbiontes chez le bivalve vésicomyidé Isorropodon bigoti du golfe de Guinée a été confirmée par l'observation et l'identification des symbiontes dans les ovocytes et dans les stades post-larvaires. Enfin, l'effet des stress chimique, thermique et de la remontée sur la dynamique des populations de symbiontes sulfo-oxydants et méthanotrophes chez la moule Bathymodiolus azoricus a été analysé par les techniques de FISH 3D et de pyroséquençage. Cette thèse a permis de mieux comprendre des cycles de vie des bactéries symbiotiques dans et en dehors de leur hôtes animaux. / Metazoans colonizing deep-sea reducing habitats often employ chemosymbiotic bacterial associations. Hosts become dependent upon their sulfur-oxidizing and/or methanotrophic symbionts, which provide organic carbon compounds. Various larval dispersal strategies have evolved in the hosts, ensuring the colonization of new sites. The continuity of the symbiotic association is maintained by symbiont transmission. Symbionts may pass directly to the host’s progeny via gametes (vertical transmission) or may be acquired from the environment as free-living forms or as those released from other hosts (horizontal transmission). This work answers several questions about the lifecycles of symbionts regarding the diversity of symbiont-related bacteria in environmental bacterial communities; the localization and dynamics of symbionts in host tissues depending on their transmission mode; or after abiotic stresses applied to the holobiont.The diversity and the distribution of free-living symbionts and their close relatives from several chemosynthesis-based habitats has been analysed by 454 pyrosequencing of the 16S rRNA of bacteria colonizing plant-derived substrates in the Northern Atlantic and Mediterranean. The trans-ovarial transmission has been detailed in the clam Isorropodon bigoti by the identification of symbionts within oocytes and in the forming gills of their post-larvae. Finally, the influence of several abiotic stresses in Bathymodiolus azoricus mussels on the dynamics of their symbionts has been investigated by FISH and pyrosequencing. This PhD presents new data regarding various aspects of the life cycle of chemosynthetic symbionts inside and outside their metazoan hosts.

Cette thèse est consacrée à l'étude des phases de Mott isolantes des systèmes unidimensionnels d'atomes froids fermioniques à plusieurs composantes. La première partie de ce travail consiste en l'étude du modèle des atomes froids de type alcalinoterreux de spin nucléaire I=1/2. Ces atomes possèdent un état excité métastable offrant à ces atomes un degré de liberté orbital supplémentaire et en fait des fermions à quatre composantes. L'étude est menée au demi-remplissage, aux forts et aux faibles couplages par des moyens analytiques (théorie conforme, bosonisation, refermionisation, groupe de renormalisation); elle conduit à un diagramme de phase très riche. Il comporte sept phases isolantes de Mott dont trois sont particulièrement intéressantes, car elles présentent un ordre caché qui s'apparente à la physique de Haldane de la chaîne antiferromagnétique de spin-1. Ces conclusions sont mises en regard avec des simulations numériques exécutées avec l'algorithme du groupe de renormalisation de la matrice densité (DMRG), pour un régime de couplages intermédiaires. La comparaison montre une continuité adiabatique entre les différents régimes de couplages. Une étude similaire d'un modèle d'atomes froids de spin-3/2 met en évidence la physique de Haldane dans le secteur de charge des degrés de liberté, avec pour modèle effectif une chaîne de (pseudo-)spin-1. L'étude nous permet également l'investigation des propriétés de température nulle de la chaîne bilinéaire et biquadratique de Heisenberg SO(5). On montre qu'elle présente deux phases gappées : l'une dimerisée et l'autre possédant une symétrie cachée (Z_2xZ_2)² et des états de bords de spin-3/2, séparées par un point critique appartenant à la classe d'universalité SO(5)_1. Enfin, une étude de systèmes d'atomes froids de spins demi-entiers (à 2N composantes) généralise les résultats obtenus pour les spins-3/2. Cela nous conduit en particulier à mettre en évidence un effet pair/impair suivant N, en tout point similaire à l'effet pair/impair des chaînes de spin, découvert par Haldane en 1983. / This thesis is devoted to the investigation of the Mott insulating phases arising in onedimensionalmulticomponent fermionic cold atoms systems. The first part of this work isthe study of a model with alkaline-earth cold atoms with nuclear spin I = 1/2. Thoseatoms enjoy an additional orbital degree of freedom, due to the presence of a metastableexcited state ; they thus have a total of four components. Our investigation is carried athalf-filling, at strong and at weak couplings by means of analytic methods (conformaltheory, bononization, refermionization, renormalisation group). We found that the zerotemperature phase diagram of the system is very rich : it contains seven Mott insulatingphases, among which three are particularly interesting, since they display a hiddenorder, related to the Haldane physics of the antiferromagnetic spin-1 Heisenberg chain.Our conclusions are checked against numerical simulations, that were carried out with thedensity matrix renormalization group (DMRG) algorithm for intermediate couplings. Thecomparison shows an adiabatic continuity between the different regimes. A similar studyfor a model of cold atoms with hyperfine spin-3/2 highlights the Haldane physics in thecharge sector of the degrees of freedom, with an effective model given by an antiferromagneticpseudo-spin-1 chain. This analysis provides us an opportunity to investigate thezero temperature properties of the SO(5) bilinear-biquadratic Heisenberg chain. We showthe presence of two gapped phases : one is dimerized, the other has a hidden symmetry(Z2 × Z2)2 and spin-3/2 edge states, and they are separated by a critical point that belongsto the SO(5)1 universality class. Finally, we investigate half-integer hyperfine spincold atoms systems with 2N components which generalized the results obtained for thehyperfine spin-3/2 model. This leads us to find an even/odd effect according to the parityof N, very similar to the even/odd effect of spin chains, discovered by Haldane in 1983.

Dans le contexte de la recherche des compagnons de faibles masses, planètes et naines brunes, et des disques de poussières autour des étoiles brillantes, une première partie de mon travail est consacrée à l'étude des performances de détection des instruments dédiés à l'imagerie à haut contraste et à haute résolution angulaire. Je me suis particulièrement intéressé aux instruments équipant actuellement les grands telescopes au sol, qui sont composés d'un système d'optique adaptative et d'une caméra infrarouge, couplée à un coronographe stellaire. J'ai eu la chance de participer aux phases d'intégration et de tests de l'instrument d'optique adaptative NAOS. Il est actuellement installé sur le télescope UT4 du Very Large Telescope de l'ESO, au Chili. J'ai, ensuite, developpé un modèle de contraste afin de cerner et d'étudier le comportement des différentes limitations dans une image d'optique adaptative, en fonction de la configuration observationnelle choisie, des modes de fonctionnement du détecteur, des caractéristiques de l'instrument utilisé et de la qualité d'image liée aux conditions atmosphériques. Cette réflexion a été déterminante dans le cadre du second volet de mon travail, portant sur la recherche en imagerie coronographique des compagnons naines brunes ou planètes et des disques circumstellaires. Deux catégories d'étoiles se sont avérées particulièrement propices à ce type d'étude. Il s'agit des membres des associations jeunes et proches, favorisant, par leur statut évolutif, la détection d'objets peu massifs, et les étoiles ayant une planète détectée par des mesures de vitesses radiales. Je présente, d'une part, les résultats que j'ai obtenus, concernant la détection de plusieurs compagnons de faibles masses probables, dans les associations jeunes du groupe Beta Pictoris, de MBM12 et de Tucana-Horologium, ainsi qu'une étude statistique, sans précédent, sur la fraction de compagnons stellaires et naines brunes parmi ces étoiles. Je décris, d'autre part, les résultats obtenus lors de relevés systématiques d'imagerie profonde des étoiles ayant des planètes. Ils concernent la découverte d'objets faibles, jusqu'à présent inconnus dans l'environnement de ces étoiles, et les capacités de détection atteintes grâce à l'imagerie à haut contraste et à haute résolution angulaire.

Durant cette thèse, je me suis intéressé à deux thématiques générales qui peuvent être explorées dans des systèmes d'atomes froids : d'une part, la dynamique hors-équilibre d'un système quantique isolé, et d'autre part l'influence du désordre sur un système fortement corrélé à basse température. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de champ moyen, qui permet de résoudre la dynamique unitaire dans un modèle à géométrie particulière, le réseau complètement connecté. Cette approche permet d'établir une correspondance entre la dynamique unitaire du système quantique et des équations du mouvement classique. Nous avons mis à profit cette méthode pour étudier le phénomène de transition dynamique qui se signale, dans des modèles de champ moyen, par une singularité des observables aux temps longs, en fonction des paramètres initiaux ou finaux de la trempe. Nous avons montré l'existence d'une transition dynamique quantique dans les modèle de Bose-Hubbard, d'Ising en champ transverse et le modèle de Jaynes-Cummings. Ces résultats confirment l'existence d'un lien fort entre la présence d'une transition de phase quantique et d'une transition dynamique.Dans un second temps, nous avons étudié un modèle de théorie des champs relativiste avec symétrie O(N) afin de comprendre l'influence des fluctuations sur ces singularités. À l'ordre dominant en grand N, nous avons montré que la transition dynamique s'apparente à un phénomène critique. En effet, à la transition dynamique, les fonctions de corrélations suivent une loi d'échelle à temps égaux et à temps arbitraires. Il existe également une longueur caractéristique qui diverge à l'approche du point de transition. D'autre part, il apparaît que le point fixe admet une interprétation en terme de particules sans masse se propageant librement. Enfin, nous avons montré que la dynamique asymptotique au niveau du point fixe s'apparente à celle d'une trempe d'un état symétrique dans la phase de symétrie brisée. Le troisième volet de cette thèse apporte des éléments nouveaux pour la compréhension du diagramme des phases du modèle de Bose-Hubbard en présence de désordre. Pour ce faire,nous avons utilisé et étendu la méthode de la cavité quantique en champ moyen de Ioffe et Mézard, qui doit être utilisée avec la méthode des répliques. De cette manière, il est possible d'obtenir des résultats analytiques pour les exposants des lois de probabilité de la susceptibilité.Nos résultats indiquent que dans les différents régimes de la transition de phase de superfluide vers isolant, les lois d'échelle conventionnelles sont tantôt applicables, tantôt remplacées par une loi d'activation. Enfin, les exposants critiques varient continûment à la transition conventionnelle.

Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de Strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les différents types d'horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique qui a d'abord été formulé dans le cadre d'une horloge à 87Sr utilisant la transition 1S0 - 3P0. Les particularités de cet atome sont présentées, notamment la notion de longueur d'onde magique de piégeage, ainsi que les performances qui sont envisageables pour une telle horloge. La deuxième partie présente les aspects expérimentaux, en insistant plus particulièrement sur le développement du laser ultra-stable qui est utilisé pour l'interrogation des atomes et qui représente un point central. Parmi les dernières améliorations, une phase de pompage optique et d'interrogation en présence d'un champ magnétique a été ajoutée au dispositif de manière à mieux déterminer l'effet Zeeman. Enfin, la dernière partie présente les résultats expérimentaux. La dernière évaluation de l'horloge à 87Sr a permis d'atteindre une exactitude de 2,6.10-15 et une mesure en accord au niveau de 10-15 avec une évaluation indépendante faite au JILA. D'autre part, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure a également été effectuée en utilisant l'isotope bosonique 88Sr et en adaptant le dispositif expérimental, permettant d'obtenir la première évaluation pour ce type d'horloge, avec une exactitude de 7.10-14.