Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats.

Dans la première partie de cette thèse, nous développons l'étude expérimentale et théorique d'un type d'interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s'agit d'utiliser d'une part un jet supersonique d'atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d'autre part, un jet d'argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l'interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l'augmentation de la constante d'anisotropie n. Dans le second cas, l'augmentation de la portée est observée lors d'une diminution de la vitesse d'un atome d'argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l'interaction (dont l'efficacité est de quelques 10^(-4)) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d'indice négatif pour l'optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d'indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d'onde atomique. Enfin, nous montrons que l'application de milieux d'indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l'aide d'une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d'autre du bord de la barrière de potentiel.

Ce manuscrit décrit les travaux d'interférométrie atomique que j'ai réalisés. Je commence par présenter quelques interféromètres atomiques et leurs applications, afin de situer nos travaux. Puis je décris l'interféromètre atomique que nous avons développé à Toulouse. Il s'agit d'un interféromètre de Mach-Zehnder, utilisant un jet thermique supersonique de lithium et la diffraction atomique par laser dans le régime de Bragg. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés spatialement, avec une distance maximale voisine de 100 ¹. Les excellentes performances, avec une visibilité des franges atomiques atteignant 84.5 % et un signal intense, mènent à une sensibilité en phase de 15 mrad/ p Hz. Nous avons utilisé cet interféromètre pour plusieurs expériences, en appliquant une perturbation sur un seul des deux bras de l'interféromètre. Si la perturbation est un champ électrique, nous mesurons la polarisabilité électrique du lithium, avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure. Si la perturbation est un gaz sous faible pression, nous mesurons l'indice de réfraction complexe de ce gaz pour une onde atomique de lithium. Si la perturbation est un nanoréseau, nous mesurons l'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre zéro et cette amplitude est très sensible à l'interaction de van der Waals entre l'atome de lithium et la surface du réseau. Une partie importante de ce manuscrit concerne les perspectives. Nous discutons des améliorations pour la mesure de la polarisabilité électrique de l'atome de lithium et nous espérons atteindre une précision suffisante pour tester les meilleurs calculs ab initio de cette quantité. Une autre application envisagée concerne une mise en évidence d'une nouvelle phase géométrique, prédite par la théorie en 1993, mais jamais observée jusqu'à présent. Enfin, nous souhaitons développer un interféromètre de deuxième génération, avec un jet de lithium ralenti et très intense. Cette nouvelle source augmentera le signal produit et le temps d'interaction, ce qui devrait permettre de détecter des perturbations beaucoup plus petites: une application particulièrement intéressante de ce nouvel interféromètre atomique est le test de la neutralité électrique des atomes, avec une sensibilité fortement améliorée.

Cette thèse décrit la réalisation d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder utilisant le lithium. Cet appareil est constitué de trois réseaux de diffraction formés d'ondes stationnaires laser, quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium. Le processus de diffraction utilise le régime de Bragg, pour lequel un seul ordre de diffraction est autorisé, et il s'agit d'une diffraction élastique qui conserve l'énergie cinétique de l'atome, modifie son impulsion, sans changement de son état interne. Grâce à une importante collimation du jet atomique qui sert de source, les deux chemins atomiques qui interfèrent sont spatialement séparés, ce qui permettra d'introduire une perturbation sur un seul des deux chemins atomiques. Les premières figures d'interférences obtenues avec cet appareil sont présentées dans cette thèse. Ces résultats permettent d'attendre une très grande sensibilité en phase de l'interféromètre car les franges enregistrées sont très contrastées et le flux moyen est assez élevé. On trouvera, dans la première partie de cette thèse, une introduction historique présentant les avancées faites dans le domaine de la manipulation des atomes par la lumière et plus particulièrement en interférométrie atomique. Après une discussion théorique des principes mis en jeu dans cet interféromètre, le montage expérimental est décrit en détail, avec une attention particulière portée au fonctionnement du détecteur. Ensuite, les résultats des premières expériences sont présentés et analysés. Enfin, trois mesures prévues avec cet appareil sont discutées : la mesure de l'indice de réfraction d'un gaz pour une onde atomique, celle de la polarisabilité électrique statique du lithium et un test de la neutralité des atomes de lithium.

Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs. / This thesis reports on the design and fabrication of an experimental platform for in-fibre laser cooling of Rb and atom optics. By in-fibre laser cooling, we mean the long term aim of laser cooling thermal Rb atoms of a Photonic MicroCell (PMC), and subsequently developing what would be cold-atom photonic crystal fibre (PCF). The platform was designed to harbor several experiments on cold and thermal atom guidance and in-fibre spectroscopy so to address several open questions related for example to the effect of the core inner-wall surface on the atom energy structure and on selective fibre mode excitation for atom trapping and cooling. The completed platform comprises a specific and large ultra-high vacuum (UHV) chamber and a set of lasers for both atom cooling and atom guiding inside highly tailored hollow-core PCF (HC-PCF). The UHV chamber was designed to accommodate several HC-PCFs and two magneto-optical traps (MOT). The HC-PCF were designed, fabricated and post-processed to exhibit different core diameter, modal content and core inner surface material. For example, the mode field diameters range from ~30 µm to ~80 µm for the fundamental Gaussian-like core mode, and the surface materials include pure silica, a layer of Aluminosilicate or a layer of PDMS so to provide a large parameter space in assessing the effect of surface on the fibre-confined atoms. The system has been constructed and characterized. The cooling/repumping laser was frequency-stabilized, with measured Allan variance deviation of σ(τ)=3.8×10^(-11)/√τ. With the system we generated MOT with both isotopes of the Rb atom, with a cooling temperature as low as 7 µK. The platform is now operational to undertake the first atom guidance and explore the feasibility of atom cooling inside a HC-PCF.

Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.

Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats. / The main goal of this thesis consists on studying the production of a bright ion cesium source with a low energy dispersion. In this work, the technology of cold atoms is used to coupled this source with optical elements of focused ion beams (FIB).A cw ionic source with high current and small energy spread is necessary to complete the performances of others available sources. A new experimenal scheme is presented here.A continuous high flux of cesium atoms is produced by a recirculating oven. The atoms are the collimated and compessed using laser cooling technology. Several simulations concerning the collimation and the compression have been made.A different way of producing ions comes from the excitation in an electric field of Rydberg atoms and then their ionization in an electric field. The remarkable properties of Rydberg atoms show the possibilty to ionize them almost instantanely reducing this way the energy spread. In the work several simulations indicate the way to choose the right Rydberg state for this application and the correct corresponding electric field.Further simulations determinate the electrdes needed for the excitation and the ionization of the Rydberg atoms from the beam. Moreover, a first study of the coulombian effects occuring in this ion source is described. Finally, a theorical study of the ion source and optic FIB coupling is shown.The description of the experimental setup and the first results complete this work.

Ce mémoire de thèse décrit la création expérimentale et la caractérisation d'une source de paires d'atomes corrélés. Cette source ajustable repose sur l'utilisation du mélange à quatre ondes dans un réseau optique. Les paires ainsi créées sont similaires aux paires de photons produites par conversion paramétrique et ouvrent la porte à la réalisation d'expériences élaborées d'optique atomique quantique. En plaçant un condensat de Bose-Einstein dans un réseau en mouvement, les conditions d'accord de phase sont vérifiées et des atomes jumeaux sont alors produits spontanément. Grâce à un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions nous avons pu caractériser la source de paires obtenue. Nous avons ainsi étudié en profondeur les conditions d'accord de phase, prouvant que les atomes sont diffusés de manière préférentielle dans deux fines classes de vitesses qui conservent l'impulsion et l'énergie. En modifiant la vitesse et la durée du réseau par rapport aux atomes, il est possible de choisir les modes de sorties et leurs populations ce qui rend ce processus ajustable. De plus, nous avons pu mettre en évidence l'importance des interactions et en particulier des effets de champ moyen qui viennent modifier la conservation de l'énergie. La détection d'atome unique permet également d'étudier les propriétés statistiques des atomes jumeaux, nous avons ainsi pu mettre en évidence de fortes corrélations entres les atomes issus d'une même paire. Nous avons également observé une réduction sous le bruit de grenaille du bruit sur la différence du nombre d'atomes dans les modes corrélés. Cette réduction est une indication forte du caractère non classique des paires produites / This thesis describes the experimental realization and characterization of a source of pairs of correlated atoms. This tunable source is based upon four waves mixing in an optical lattice. The created atomic pairs are similar to photon pairs made by parametric down conversion and open the way toward more elaborate quantum atom optic experiments. By placing a Bose-Einstein condensate in a moving optical lattice the phase matching conditions are fulfilled and twins atoms are spontaneously produced. Thanks to a single atom detector with three-dimensional resolution, we were able to characterize our source of pairs. By studying the phase matching conditions, we proved that the atoms are preferentially produced in two narrow velocity classes conserving both momentum and energy. By modifying the duration and the velocity of the lattice with respect to the atoms, one can tune the output modes and their populations providing a fully tunable process. Moreover, we have demonstrated the important effect of interactions -especially of mean field effects- that modifies the energy conservation. The single atom detection provided also a convenient way to look at statistical properties of the twins atoms: we have demonstrated strong correlation between atoms from the same pair and also we have observed a reduction below the shot noise of the noise on the number of atoms in correlated modes. Such a reduction is a strong indication of the non-classical nature of the produced atomic pairs.

Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.

Le laser aléatoire est un nouveau type de laser, dont les propriétés d'émission sont basées sur la diffusion multiple de lumière dans un milieu désordonné, en présence de gain. Nous avons comme projet de réaliser un tel laser aléatoire, avec comme milieu à gain un nuage d'atomes froids de 85Rb, piégés dans un piège magnéto-optique. Cette thèse présente les premières étapes de recherche, portant sur les processus de gain dans le nuage d'atomes. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement trois types de gain : le gain Mollow, le gain Raman, et le mélange à quatre ondes. L'existence de ces gains nous permet de produire de façon classique un laser, en plaçant le nuage d'atomes dans une cavité Fabry-Pérot ; ce qui représente une étape préliminaire, et essentielle, dans la réalisation d'un laser aléatoire. D'autre part, une étude est menée sur le comportement de la lumière diffusée par le nuage d'atome en présence de gain.