Cette thèse présente la première réalisation expérimentale d'un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. L'énergie interne de 20 eV des atomes d'hélium métastable permet l'utilisation d'un système détection électronique des atomes, très rapide et efficace. Ce manuscrit décrit la démarche expérimentale adoptée pour parvenir à la condensation, à partir du transfert dans le piége magnétique du nuage atomique prérefroidi. Des études du champ magnétique de piégeage, en particulier de la décroissance du champ à la coupure du piège, sont réalisées in situ en venant sonder directement les atomes. Des mesures de spectroscopie du piège magnétique sont également effectuées afin de tester l'équilibre des atomes dans le piège. Pour initier ensuite un refroidissement évaporatif efficace, il faut un taux de collisions élastiques entre atomes piégés suffisamment élevé. Ne disposant pas de donnée expérimentale suffisante pour connaître la valeur de ce taux de collisions, nous avons effectué des mesures de thermalisation sur l'échantillon atomique. Celles-ci consistent à placer le nuage piégé hors-équilibre, puis à regarder la dynamique de relaxation vers un nouvel équilibre, atteint sous l'influence des collisions entre atomes piégés. La modélisation de ces expériences permet de remonter, à partir des résultats expérimentaux, au taux de collisions élastiques. La valeur déduite nous a encouragés à poursuivre le refroidissement évaporatif du nuage atomique, aboutissant finalement à la formation d'un condensat de Bose-Einstein. L'allure des signaux expérimentaux observés, influencés par la coupure des champs magnétiques, est expliquée. L'exploitation de ces signaux permet de déduire une valeur de la longueur de diffusion. La visualisation du signal d'ions produits par le condensat constitue une méthode d'observation non-destructive du condensat, donnant accès à sa cinétique de formation.

Ce travail de thèse démontre une technique de détection capable de mesurer, avec une sensibilité à l'atome unique, l'espace des impulsions d'un gaz ultrafroid chargé dans un réseau optique 3D. Nous avons développé un détecteur basé sur des galettes de micro-canaux, capable de sonder électroniquement des nuages d'Hélium-4 métastable. Le gaz est détecté après un temps de vol de 325ms, suffisamment long pour atteindre l'expansion de champ lointain, où la distribution spatiale du gaz coïncide avec la distribution d'impulsion asymptotique. En se plac{c}ant dans un régime proche du remplissage unitaire du réseau, les effets de collisions entre atomes aux premiers instants de l'expansion deviennent négligeables, et donc la distribution d'impulsion asymptotique est égale à la distribution d'impulsion in situ. Nous démontrons expérimentalement cette égalité en comparant nos mesures en champ lointain avec la distribution d'impulsion calculée à partir de l'Hamiltonien de Bose-Hubbard, gr^ace à des simulations Monte Carlo Quantique. Nous observons un bon accord avec la théorie sur plus de 3 ordres de grandeur en densité. Ces simulations sont calculées à partir de nos paramètres expérimentaux, la température étant la seule variable ajustable. Nous utilisons ensuite cette comparaison pour réaliser une thermométrie précise du gaz sur réseau, permettant une exploration de la transition superfluide-gaz normal à travers la mesure directe de différentes quantités, comme la fraction condensée ou la fonction de corrélation à deux particules. / In this thesis, we report the demonstration of a detection technique able to probe, with a single-atom sensitivity, the momentum distribution of an ultracold gas loaded inside a 3D optical lattice. We have developed a micro-channel plate detector, able to electronically probe clouds of metastable Helium-4. The gas is detected after a time-of-flight of 325ms, long enough to reach the far-field expansion, where the spatial distribution of the cloud can be mapped to the asymptotic momentum distribution. By putting ourselves in a regime where the lattice filling is close to unity, the atomic collisions in the first instant of the expansion become negligible, so that the asymptotic momentum distribution is equal to the in situ momentum distribution. We experimentally demonstrate this equality, by comparing our far-field measurements with the momentum distribution calculated from the Bose-Hubbard Hamiltonian, thanks to ab initio quantum Monte Carlo simulations. We show a good agreement with the theory over more than 3 orders of magnitude in density. Those simulations are calculated with our experimental parameters, the temperature being the only adjustable variable. We then use this comparison to perform a precise thermometry of the lattice gas, allowing us to explore the superfluid-normal gas transition through a direct measurement of different quantities, like the condensed fraction or the two-particles correlation function.

Cette thèse décrit l'observation expérimentale de l'effet Hong-Ou-Mandel avec une sourceatomique ultra-froide. L’expérience originale réalisée en 1987 par C. K. Hong, Z. Y. Ou et L. Mandel illustre de façon simple une interférence à deux particules explicable uniquement par la mécanique quantique : deux particules bosoniques et indiscernables, arrivant chacune sur une face d'entrée différente d'une lame semi-réfléchissante ressortent ensemble. Cet effet se traduit par une réduction du taux de détection en coïncidence entre les deux voies de sortie quand les particules arrivent simultanément sur la lame. Cette expérience fut originalement réalisée avec des photons et nous rapportons ici la première mise en oeuvre expérimentale avec des particules massives se propageant dans l’espace libre.Après présentation des différentes techniques nécessaires à sa réalisation, nous décrivons cette expérience et analysons les résultats obtenus. En particulier, la réduction du taux de coïncidence est suffisamment forte pour exclure toute interprétation classique ; l'observation de cet effet constitue une brique fondamentale dans le domaine de l’information quantique atomique. / In this thesis, we report the first realisation of the Hong–Ou–Mandel experiment with massive particles in momentum space. This milestone experiment was originally performed in quantum optics: two photons arriving simultaneously at the input ports of a 50:50 beam-splitter always emerge together in one of the output ports. The effect leads to a reduction of coincidence counts which translates into a dip when particles are indistinguishable. We performed the experiment with metastable helium atoms where the specificities of the Micro-Channel-Plate detector allows one to recover the momentum vector of each individual atom.After listing the necessary tools to perform this experiment with atoms, the experimental sequence is discussed and the results are presented. In particular we measured a coincidence count reduction that cannot be explained through any simple classical model. This corresponds to the signature of a two-particle interference, and confirms that our atomic pair source produces beams which have highly correlated populations and are well mode matched. This opens the prospect of testing Bell’s inequalities involving mechanical observables of massive particles, such as momentum, using methods inspired by quantum optics. It also demonstrates a new way to produce and benchmark twin-atom pairs that may be of interest for quantum information processing.

Nous présentons dans ce<br />mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de<br />Bose-Einstein de l'hélium métastable $2^3S_1$ polarisé. Nous<br />commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les<br />taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes<br />métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très<br />encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation<br />de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite<br />le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique<br />que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de<br />gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un<br />jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège<br />magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions<br />inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour<br />une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est<br />ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi<br />par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de<br />dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des<br />atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui<br />démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au<br />moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont<br />polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique,<br />basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la<br />traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la<br />condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre<br />d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une<br />estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

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.

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 %.

Ce mémoire présente l'étude du refroidissement d'atomes par laser en présence d'un champ magnétique transverse faible (effet Sisyphe magnétique) sur une transition J = 1 → J' = 1. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation d'un jet supersonique d'hélium métastable sur lequel nous avons effectué nos expériences de refroidissement laser. L'optimisation du jet en vue de piéger les atomes dans un piège magnéto-optique est aussi décrite. La deuxième partie consiste en une description de l'effet Sisyphe magnétique sur l'hélium métastable. Après une présentation qualitative du mécanisme mettant en jeu l'effet Sisyphe magnétique, nous discutons les résultats expérimentaux à la lumière de calculs théoriques détaillés.

Au voisinage de la condensation de Bose-Einstein, les propriétés collisionelles d'un gaz dilué d'hélium métastable He* dans l'état 23S1 sont gouvernées par les collisions auto-ionisantes de type Penning, et par la longueur de diffusion en onde s, notée "a". Nous avons mesuré "a" par photoassociation à deux photons formant une molécule contenant deux atomes métastables He* dans l'état le moins lié du potentiel d'interaction entre deux atomes métastables polarisés de spin. La mesure de l'énergie de liaison de cette molécule par résonance noire atomes-molécules permet d'en déduire la longueur de diffusion "a", que l'on a pu déterminer avec une grande précision (a = 7. 5105 ± 0.0025 nm), et qui ne dépend que très peu de la théorie : c'est donc une mesure directe. De plus, la durée de vie des molécules créées par spectroscopie à deux photons est liée à l'ionisation Penning entre les deux atomes He* qui la composent. Sa mesure permet de mieux comprendre le mécanisme de ce type de collisions.