Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Depuis sa démonstration expérimentale en 1995, le refroidissement de solides par effet laser s'est établi comme une solution de réfrigération remarquable. Capable de dépasser des températures cryogéniques sans générer de vibration, son utilisation dans des dispositifs optiques et électroniques suscite un grand intérêt. Les résultats actuels se basent sur l'utilisation de fluorescence anti-Stokes, essentiellement au travers de la transition $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ des ions d'ytterbium (III). La génération de refroidissement s'établit lorsqu'un rendement presque unitaire sur cette fluorescence est obtenu, ce qui demande une minimisation extrême des autres voies de relaxation. Les limitations résident majoritairement dans la relaxation multiphonon et les absorptions parasitiques d'impuretés. Dans le premier cas, ce phénomène intrinsèque au matériau hôte des ions Yb$^{3+}$, est réduit par le choix de matrices à faibles énergies de phonons que l'on retrouve par l'emploi de verres et cristaux de fluorures. Dans le second, une pureté de matériau très élevée est requise, avec une attention particulière sur les métaux de transitions bivalents (Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II)) et la présence de groupements hydroxyles, qui présentent des sections d'absorptions importantes dans le domaine spectral de l'ytterbium. Les monocristaux fluorés représentent les candidats favoris, qui du fait de leur nature et procédé de synthèse arrivent à satisfaire les deux points précédents. Ils présentent en revanche certaines limitations quant à leur flexibilité de géométrie et des coûts importants de fabrication. Les travaux présentés dans ce manuscrit consistent à explorer des matériaux qui pourraient répondre à cette demande : les verres et vitrocéramiques oxyfluorés. Composés d'une partie oxyde amorphe contenant des cristaux de fluorures, ils présentent un compromis intéressant entre les excellentes propriétés mécaniques et thermiques des verres oxydés et les performances optiques des cristaux de fluorures. Issus généralement d'un verre parent, ils permettent également de conserver les méthodes de mises en forme spécifiques aux verres, avec des coûts de fabrication modérés. Dans les deux premiers chapitres, une approche conventionnelle est étudiée pour le développement d'échantillons. Une composition vitreuse oxyfluorée SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ est mise à l'étude par l'exploration du domaine vitreux. Une étude paramétrique a permis de caractériser les impacts des conditions de synthèse et leurs conséquences sur les propriétés physico-chimiques et optiques des verres. Une étude de la cristallisation de la matrice, à l'aide de techniques de diffraction aux rayons X, a permis de déterminer la capacité de formation de phases d'intérêt pour le dopage à l'ytterbium. À la suite de l'obtention d'échantillons vitrocéramiques transparents, des mesures de temps de vie et d'intensité de fluorescence, ainsi que de rendement quantique soulignent le potentiel de ces matériaux à trouver applications pour de la réfrigération optique. Le second chapitre porte attention sur l'amélioration en pureté des précédentes vitrocéramiques. Les échantillons du chapitre 1 montraient des absorptions parasitiques autour de 0.180 cm$^{-1}$ / 40 dB.km$^{-1}$ pour une excitation à 1550 nm. L'obtention de refroidissement par fluorescence anti-Stokes demanderait une diminution de l'ordre de 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. Les principales causes de ces pertes ont été identifiées comme la conséquence de deux catégories d'impuretés : la présence de groupements hydroxyles et les métaux de transitions bivalents, plus spécifiquement le Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II). Le premier point a été adressé en transférant l'intégralité du procédé de synthèse en atmosphère sèche. Le second a nécessité de combiner l'utilisation de précurseurs commerciaux ultra-haute pureté et des produits de synthèse pour la composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$. À la suite de ces améliorations, une diminution des absorptions de fonds jusqu'à 0.064 cm$^{-1}$ a permis d'augmenter le rendement quantique et l'intensité de fluorescence pour une excitation anti-Stokes des vitrocéramiques. Pour une excitation à 1030 nm, une baisse importante de l'échauffement des échantillons a été observée, cependant aucun refroidissement net n'a pu être mesuré. Le troisième et dernier chapitre présente une étude de verres fabriqués par une méthode alternative de dépôt de silicates par phase vapeur. Les conditions de fabrication rendant impossible l'utilisation de fluorures (hautes températures avec des atmosphères oxydantes), une exploration de compositions vitreuses oxydes non-réalisables par fusion-trempe a été conduite. Dans ces travaux, des verres d'aluminosilicates d'yttrium fabriqués par dépôt de vapeurs chimiques modifié (MCVD) sont présentés. Les échantillons obtenus démontraient un phénomène unique de séparation de phase nanométrique. Aux suites d'une étude en microscopie électronique, les zones de ségrégation ont démontré un enrichissement en Al et Y et Yb, là où les matrices environnantes étaient majoritairement composées de silice. Les échantillons ont montré des propriétés de fluorescence supérieures à des échantillons de silice dopés Yb, ne démontrant pas cette séparation de phase. Grâce aux très hautes puretés de matériau alloué par ce mode de fabrication, du refroidissement optique a pu être mesuré sur chacun des échantillons, jusqu'à -2.4 Kelvins pour une excitation de 20W à 1030 nm, sous pression et atmosphère ambiante. / Since its experimental demonstration in 1995, laser cooling of solids has established itself as a remarkable refrigeration solution. Capable of reaching cryogenic temperatures without generating vibrations, its use in optical and electronic devices has garnered significant interest. Current breakthroughs are based on the use of anti-Stokes fluorescence, primarily through the $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ transition of ytterbium (III) ions. Cooling occurs when near unity radiative efficiency is achieved, which demands extreme minimization of other relaxation pathways. The limitations mostly reside in multiphonon relaxation and parasitic absorptions of impurities. In the former case, this intrinsic phenomenon in the host material of Yb$^{3+}$ ions is reduced by selecting matrixes with low phonon energies, such as fluoride glasses and crystals. In the latter case, high material purity is required, with particular attention to divalent transition metals (Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II)), and the presence of hydroxyl groups, which exhibit significant absorption cross-sections in the ytterbium spectral domain. Fluoride single crystals are the favored candidates, which, due to their nature and synthesis process, satisfy the previous two points. However, they possess limitations in terms of geometry flexibility and significant manufacturing costs. The work presented in this manuscript aims to explore materials that could provide mouldable and cost-effective properties: oxyfluoride glasses and glass-ceramics. Comprising an amorphous oxide part containing fluoride crystals, they offer an interesting compromise between the excellent mechanical and thermal properties of oxide glasses and the optical performance of fluoride crystals. Generally derived from a parent glass, they also allow for the retention of glass-specific shaping methods, with moderate manufacturing costs. In the first two chapters, a conventional approach is studied for sample development. An oxyfluoride glass composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ is investigated through vitreous domain exploration. A parametric study has characterized the impacts of synthesis conditions and their consequences on the physicochemical and optical properties of glasses. A study of matrix crystallization, using X-ray diffraction techniques, has determined the potential for the formation of phases of interest for ytterbium doping. Following the attainment of transparent glass-ceramic samples, measurements of fluorescence lifetime and intensity, as well as quantum yield, highlight the potential of these materials for optical refrigeration. The second chapter focuses on enhancing the purity of the previous glass-ceramics. The samples from Chapter 1 exhibited parasitic absorptions around 0.180 cm$^{-1}$/ 40 dB.km$^{-1}$ for excitation at 1550 nm. Achieving cooling through anti-Stokes fluorescence would require a reduction of approximately 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. The main causes of these losses were identified as the result of two categories of impurities: the presence of hydroxyl groups and divalent transition metals, specifically Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II). The first point was addressed by transferring the entire synthesis process in a dry atmosphere. The second required a combination of using ultra-high purity commercial precursors and synthesis products for the SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ composition. Following these improvements, a decrease in background absorptions to 0.064 cm$^{-1}$ allowed for an increase in quantum yield and fluorescence intensity for anti-Stokes excitation of the glass-ceramics. For excitation at 1030 nm, a significant decrease in sample heating was observed; however, no net cooling could be measured. The third and final chapter presents a study of glasses manufactured through an alternative method of silicate deposition by vapor phase. The manufacturing conditions, which make the use of fluorides impossible (high temperatures with oxidizing atmospheres), led to an exploration of oxide glass compositions not achievable through melt-quenching. In this work, yttrium aluminosilicate glasses manufactured by modified chemical vapor deposition (MCVD) are presented. The obtained samples demonstrated a unique nanometric phase separation phenomenon. Following a study using electron microscopy, segregation zones exhibited enrichment in Al, Y, and Yb, whereas the surrounding matrices were primarily composed of silica. The samples exhibited fluorescence properties superior to Yb-doped silica samples, not showing this phase separation. Thanks to the very high material purities afforded by this fabrication method, optical cooling could be measured on each of the samples, down to -2.4 Kelvins for 20 W excitation at 1030 nm, under ambient pressure and atmosphere.

Thèse de doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2001. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 203-216.

Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications "grand public" telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité posées sur ces horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes. Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ce mémoire expose les concepts fondateurs du projet HORACE. Il décrit par la suite la réalisation expérimentale du premier prototype à vocation métrologique de l'horloge HORACE. Il présente l'évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court-terme de l'horloge réalisée au laboratoire. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ $2~10^8$ atomes à une température de $35~\mu K$ pouvaient être obtenus. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'au niveau de $2~10^{-4}$. Cette grande stabilité a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1000 en fonctionnement. L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de $2.2~10^{-13}~\tau^{-1/2}$ s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permettant de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40~ms et d'obtenir \emph{in fine} un rapport cyclique proche de 50\%. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12~Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme. Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

Du fait de leur grande exactitude, les comparaisons de fréquences atomiques permettent de réaliser des tests très contraignants des lois fondamentales de la physique. Les développements récents liés à l'utilisation d'atomes froids, aux progrès des étalons optiques de fréquence et au perfectionnement des méthodes de mesure des fréquences optiques, permettent de prévoir une amélioration très significative de ces tests. Dans ce mémoire, on montre d'abord comment des comparaisons de fréquences atomiques permettent de tester le Principe d'équivalence qui est à la base de la Relativité Générale. Plus précisément, ces comparaisons constituent des tests de la stabilité de certaines constantes fondamentales comme la constante de structure fine. La suite du mémoire décrit le développement d'une fontaine à atomes froids de césium 133 et de rubidium 87 permettant de comparer les fréquences hyperfines de ces deux atomes. L'amélioration de l'exactitude des horloges passe par la compréhension des effets systématiques qui influent sur leur fréquence. Dans ce mémoire, l'accent est mis sur l'étude des effets dépendant du nombre d'atomes qui fait l'objet de la troisième partie. Suit une description détaillée du montage de la fontaine puis des méthodes de comparaisons entre horloges atomiques de ce type. Les résultats expérimentaux sont regroupés dans une dernière partie. Ce travail a permis de mesurer les effets dépendant du nombre d'atomes dans le cas du rubidium avec une résolution relative de 4*10^-16. Les exactitudes obtenues avec le rubidium et le césium sont de 2*10^-15} et 1*10^-15 respectivement. La meilleure stabilité de fréquence obtenue est de 3.5*10^-14*tau^-1/2. Les comparaisons de fréquences réalisées conduisent à un test de stabilité de la constante de structure fine au niveau de 7.3*10^-15 par an, une résolution 5 fois meilleure que celle des précédents tests du même type.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Lasers, Molécules, Rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3554. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 185-187.

Ce travail s'attaque à la mise en évidence expérimentale d'effets quantiques dans le mouvement d'un résonateur mécanique macroscopique avec une masse effective de 33 microgrammes, soit 3 ordres de grandeur au-dessus de celle du système mécanique le plus massif observé à ce jour dans son état quantique fondamental. Nous avons conçu, fabriqué et fait fonctionner un résonateur optomécanique à 3,6 MHz avec une finesse optique de 100.000 et un facteur de qualité mécanique proche de 100 millions, inséré dans l'environnement à 100 mK d'un réfrigérateur à dilution. Nous présentons un montage optique complètement automatisé incluant une cavité de filtrage, une détection homodyne et plusieurs asservissements, implémentés dans un FPGA avec le programme PyRPL développé spécifiquement pour cette expérience. Nous avons refroidi par laser le mode de compression de notre résonateur mécanique jusqu'à un nombre moyen d'occupation thermique de 20 phonons. Le refroidissement est limité par l'apparition d'une instabilité optomécanique de plusieurs modes des suspensions, au-dessous de 100 kHz. Un filtre digital particulier pour supprimer cette instabilité nous a permis d'atteindre le régime où l'action en retour quantique contribue à hauteur d'environ 30 % au bruit de force total de l'oscillateur mécanique. Pour atteindre des contributions encore plus importantes à l'avenir, nous présentons la conception d'un miroir d'entrée à cristal phononique, caractérisé par un plancher de bruit de mouvement Brownien réduit. / In this work, we attempt the experimental demonstration of quantum effects in the motion of a macroscopic mechanical resonator with a mass of 33 micrograms, about 3 orders of magnitude above the mass of the heaviest system demonstrated so far in the quantum ground state. We have designed, fabricated, and operated an optomechanical resonator at 3.6 MHz, with an optical finesse of 100,000 and a mechanical quality factor near 100 million, embedded in the 100 mK environment of a dilution refrigerator. We present a fully automatized optical measurement setup, including a filter cavity, a homodyne detector, and various feedback controllers implemented in an FPGA with the custom-developed software PyRPL. We have laser-cooled the compression mode of our mechanical resonator to a mean thermal occupation number of 20 phonons. Cooling is limited by the onset of an optomechanical instability of suspension modes with frequencies below 100 kHz. A custom-tailored digital filter to suppress this instability has enabled us to reach a regime where quantum backaction amounts to about 30 % of the total force noise on the mechanical resonator. For even higher ratios in the future, we present the design of a phononic-crystal input mirror with a reduced Brownian motion displacement noise floor.

L'objectif du projet HORACE est la réalisation d'horloges compactes embarquées de haute performance en fréquence à l'aide d'atomes froids de Cs. Dans ce mémoire, on discute d'abord le mode de fonctionnement original d'HORACE où toutes les interactions appliquées aux atomes de Cs133 ont lieu dans la cavité micro-onde (refroidissement, interrogation, détection), selon une séquence purement temporelle. On montre que la stabilité relative de fréquence peut être <1.10^(-12)\tau^(-1/2), et dépendra des caractéristiques du refroidissement, comme la taille du nuage et le taux de capture, et des performances en fréquence de l'oscillateur local à des fréquences de Fourier de qq. 10 Hz (effet de repliement de spectre). Les méthodes de détection par fluorescence (populations) et par "radiation damping" (cohérences) sont décrits et discutés. La deuxième partie du mémoire présente un modèle de refroidissement Doppler dans une cellule réfléchissante ou diffusante, basé sur une étude du champ laser moyen dans la cellule. On montre alors que la figure de tavelure 3D permet des mécanismes de refroidissement Sisyphe. La troisième partie du mémoire est consacrée à l'étude expérimentale du refroidissement subDoppler dans une cavité micro-onde sphérique polie au niveau optique utilisée comme cellule. L'étude démontre que plus de 3.10^(7) atomes froids sont refroidis dans les puits de potentiels lumineux de la figure de tavelure 3D. Les constantes de temps de thermalisation ~30 fois plus longs que dans une configuration Lin per Lin prédits par le modèle ont été vérifiés expérimentalement. Des températures de ~2 microK ont été mesurées par temps de vol. La dernière partie du mémoire décrit la réalisation et l'accord en fréquence de la cavité micro-onde sphérique, et les principaux déplacements relatifs de fréquence attendus dans le bilan d'exactitude d'Horace. Ces derniers sont dus au déphasage du champ micro-onde pulsé et au déplacement relatif de fréquence collisionnel entre atomes froids au niveau de quelques 10^(-13).

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.

Nous avons étudié le processus de simple capture électronique à basse énergie pour le système Na++87Rb(5s,5p) à l'aide d'un piège magnéto-optique et d'un spectromètre d'impulsion d'ion de recul. La mesure complète de l'impulsion des ions de recul permet de mesurer les sections efficaces relatives ainsi que les distributions associées en angle de diffusion. Grâce à la très bonne résolution du dispositif, des structures oscillantes, telles que les figures de diffraction attendues pour certaines transitions ont pu être observées. Nous avons également réalisé des calculs semi-classiques basés sur la méthode MOCC auxquels sont confrontés les résultats expérimentaux. Un très bon accord a été obtenu entre résultats expérimentaux et calculs théoriques. Afin de pousser le test des calculs théoriques encore plus loin, nous avons par la suite préparé les cibles dans les états orientés. C'est la première fois que l'étude de l'échange de charge sur cible orientée est réalisée avec un dispositif permettant d'avoir une aussi bonne résolution. L'asymétrie droite-gauche attendue dans les distributions en angle de diffusion du projectile a été observée et l'accord entre les calculs théoriques et les résultats expérimentaux est très satisfaisant. La fiabilité des calculs permet alors de discuter de la validité de modèles plus simples.

Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat<br />de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB<br />dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent<br />en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids.<br />Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome<br />usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température<br />ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai<br />menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système<br />d'imagerie par absorption.<br />Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et<br />5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques<br />similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux<br />de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers<br />des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr<br />et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique.<br />La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr<br />est aussi exposée.<br />L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège<br />magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes<br />dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes<br />métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention<br />d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.