Ce mémoire de thèse décrit l'implantation et l'étude spectroscopique d'atomes de césium dans un monocristal d'hélium hcp à une température de 1.1 K dont une des applications possible pourrait être une mesure du moment anapolaire du noyau de Cs. Nous avons mis en place un cryostat optique permettant de travailler pendant plusieurs mois avec un monocristal d'hélium orienté. L'implantation des atomes de césium a été réalisée par atomisation laser à partir de grains métalliques, d'abord avec un laser YAG doublé, puis avec un laser Ti:Sa femtoseconde amplifié. Ce nouveau procédé a permis d'obtenir une densité atomique supérieure tout en déposant moins d'énergie dans le cristal. La détection optique des atomes a mis en évidence un allongement notable de la durée de piègeage de la population atomique à 1.1 K par rapport à 1.6 K. La forme de raie de la transition D2 (6S1/2 --> 6P3/2) en absorption est compatible avec une levée de dégénérescence entre les sous-niveaux MJ = ±3/2 et ±1/2 de 200 cm−1, en bon accord avec les prévisions théoriques donnant l'écart en énergie entre ces sous-niveaux dans une bulle atomique présentant une anisotropie statique de 6%. L'analyse de l'intensité relative des composantes de la raie D2 permet d'inférer que la composante haute énergie correspondrait aux sous-niveaux | MJ |= 1/2 et que la déformation de la bulle autour de l'état fondamental serait négative (en forme de coussin). Nous avons cherché à vérifier la dépendance de la forme de raie avec la polarisation de la lumière. La faiblesse des effets observés laisse supposer soit que la lumière incidente est dépolarisée, soit l'axe local de l'anisotropie du cristal autour des atomes est désorienté de manière isotrope.

Nous avons découvert que le module de cisaillement des monocristaux d'hélium-4 présentait une grande réduction dans une direction particulière quand les dislocations se déplacent librement. Cette "plasticité géante" (car due au mouvement des dislocations) apparaît à suffisamment basse température lorsque les phonons thermiques disparaissent et se poursuivrait jusqu'au zéro absolu si les impuretés d'hélium-3 étaient supprimées. En étudiant des monocristaux d'orientations différentes, nous avons identifié le plan de glissement des dislocations : le plan de base de la structure hexagonale compacte. Dans la région de plasticité géante, nous n'avons détecté aucune dissipation et avons observé un comportement linéaire pour certains monocristaux jusqu'à 10 mK et pour des contraintes extrêmement faibles de l'ordre du nanobar. Cela indique que les dislocations se déplacent librement sans avoir à franchir de barrières de Peierls comme cela est supposé par la théorie de Granato-Lücke. Nous avons aussi démontré que l'amortissement apparaissant à plus haute température est causé par des collisions avec les phonons thermiques, ce qui nous a permis de mesurer précisément la densité (entre 10^4 et 10^6 cm^-2 en fonction de la qualité des cristaux) et la longueur libre (entre 50 et 200 microns) des dislocations et de montrer que ces dislocations sont regroupées en sous-joints et étaient donc très peu connectées. Ces résultats réfutent la plupart des scénarios expliquant le possible état supersolide de l'hélium-4. Une dernière série de mesures nous ont prouvé qu'il existait une vitesse critique des dislocations en dessous de laquelle les impuretés accrochées à la dislocation se déplacent avec elle. Nous tentons de comparer ce comportement à celui des cristaux classiques.