Dans ce mémoire, nous décrivons la réalisation d'un nouveau montage expérimental permettant de manipuler, à l'aide d'un champ radiofréquence de polarisation bien définie, l'état interne d'un atome de Rydberg à l'intérieur de la multiplicité Stark. Nous avons utilisé ce dispositif pour transférer, avec une efficacité proche de 1, les atomes depuis un niveau de faible moment angulaire, accessible par excitation optique depuis le fondamental, vers le niveau de Rydberg circulaire, de moment angulaire maximal. Nous avons ensuite cherché à induire des dynamiques quantiques nouvelles de l'état de l'atome et mis en évidence la dynamique Zénon quantique dans un système de grande dimension. En appliquant un champ micro-onde bien choisi, on peut restreindre l'évolution atomique induite par le champ radiofréquence à un sous-ensemble des niveaux Stark de la multiplicité. Cette dynamique confinée est très différente d'une dynamique classique, le système évoluant périodiquement vers un état " chat de Schrödinger ". Nous avons expérimentalement observé cette évolution dans l'espace des phases et mesuré la fonction de Wigner de l'atome au moment de l'apparition du chat, démontrant pour la première fois les aspects non-classiques de la dynamique Zénon quantique dans un espace de Hilbert non-trivial. / In this manuscript, we describe the realization of a new experimental setupto manipulate with a well-polarized radiofrequency electric field the internal state of aRydberg atom inside the Stark manifold. We used this setup to transfer with a nearly 1efficiency the atoms from a optically-accessible low-m state to the high angular momentumcircular Rydberg state. We then tried to induce new quantum dynamics of the atomicstate and we showed the quantum Zeno dynamics in a large Hilbert space. By applying awell-choose microwave field, one can restrict the atomic evolution induced by the radiofrequencyfield to a subspace of the Stark manifold. This confined dynamics is very differentfrom a classical dynamics. The system periodically evolves to a « Schrödinger cat state ».We experimentally observed this evolution in the phase space and mesured the atomicWigner function at the cat state . This is the first demonstration of the non-classicalaspect of the quantum Zeno dynamics in a non-trivial Hilbert space.

The work presented in this dissertation concerns dynamics of Rydberg atom lattices in the presence of noise and dissipation. Rydberg atoms possess a number of exaggerated properties, such as a strong van der Waals interaction. The interplay of that interaction, coherent driving and decoherence leads to intriguing non-equilibrium phenomena. Here, we study the non-equilibrium physics of driven atom lattices in the presence of decoherence caused by either laser phase noise or strong decay. In the first case, we compare between global and local noise and explore their effect on the number of excitations and the full counting statistics. We find that both types of noise give rise to a characteristic distribution of the Rydberg excitation number. The main method employed is the Langevin equation but for the sake of efficiency in certain regimes, we use a Markovian master equation and Monte Carlo rate equations, respectively. In the second case, we consider dissipative systems with more general power-law interactions. We determine the phase diagram in the steady state and analyse its generation dynamics using Monte Carlo rate equations. In contrast to nearest-neighbour models, there is no transition to long-range-ordered phases for realistic interactions and resonant driving. Yet, for finite laser detunings, we show that Rydberg atom lattices can undergo a dissipative phase transition to a long-range-ordered antiferromagnetic phase. We identify the advantages of Monte Carlo rate equations over mean field predictions. Having studied the dynamics of Rydberg atom lattices, we study an application of the strong interactions in such systems for quantum information processing. We investigate the coherent exchange of a single photon between a superconducting microwave cavity and a lattice of strongly interacting Rydberg atoms in the presence of local electric field fluctuations plaguing the cavity surface. We show that despite the increased sensitivity of Rydberg states to electric fields, as compared to ground state atoms, the Rydberg dipole-dipole interaction can be used to protect the system against the dephasing induced by the local noise. Using $1/f$ and laser phase noise models, we show that compared to the case with non-interacting atoms, our system exhibits longer coherence lifetimes and larger retrieval efficiency of the photon after storing into the atoms.

L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals. / The aim of this thesis is to investigate different aspects of few-body interactions in cold Rydberg atoms. It has been realized in a co-tutelle program between the University of Paris-Saclay and the University of Pisa working on two different experimental set ups: one at Laboratoire Aimé Cotton on cold Cs Rydberg atoms and a second at Physics Department of Pisa on cold Rb Rydberg atoms. In Laboratoire Aimé Cotton we demonstrated the existence of new few-body interactions we observed in a frozen Rydberg gas of Cs atoms. These new resonances are a generalization of already known two-body Förster resonances. They act on the internal degrees of freedom of the Rydberg atoms leading to a resonant energy transfer analogous to the one in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). In analogy with Förster resonance, three-body FRETs are tuned with an external electric field and can be observed for different principal quantum number. The three-body interaction appeared in the absence of any two-body ones and for this reasons it has a Borromean character. The presence of this external electric field leads to additional resonances between Rydberg atoms supposedly forbidden. These resonances, we call quasi-forbidden Förster resonances, are due to dipole-dipole interaction as in the case of Förster resonance. We investigated these resonances finding a large number close to the allowed two-body and three-body FRET. A precise study was necessary in order to identify and discriminate these resonances from the allowed ones.In the experiment in Pisa we instead focus our attention on the mechanical effect of van der Waals repulsion between Rydberg atoms. We studied the spatial expansion due to a van der Waals interaction in a 1D chain of Rb Rydberg atoms excited with an off-resonant laser excitation. The comparison of the spatial expansion for different detuning of the laser excitation reveals the central role of the van der Waals interaction whose strength is equal to the detuning of the laser excitation.

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.

Cette thèse porte sur l’étude d’une nouvelle source de particules chargées peu dispersive basée sur le refroidissement d’atomes par laser. Les technologies actuelles, basées sur des pointes fines de quelques nanomètres, sont limitées à des faisceaux de hautes énergies (champ d’accélération supérieur à 10 kV) et de fortes dispersions supérieures à 1 eV du fait des fortes interactions entre les particules se retrouvant très proches les unes des autres au moment de leur création. Une nouvelle source, basée sur un jet atomique refroidi transversalement et ionisé par lasers, permet d’étendre la zone de création des particules chargées à des dimensions de quelques centaines de micron et ainsi de limiter les intéractions entre les particules, tout en créant une source refroidie à 100 µK et ainsi très peu dispersive. Un guidage, utilisant la force dipolaire exercée par un laser appliqué le long de la propagation des atomes, est étudié expérimentalement et permet de piéger les atomes au centre du laser piégeur. En jouant sur la forme du laser, il est ainsi possible de concentrer les atomes dans une section de diamètre de l’ordre de 0,4 mm. Il est dès lors envisageable de créer une source de particules chargées avec des courants supérieurs au nA. L’ionisation des atomes du jet refroidi, basée sur l’ionisation d’atomes de Rydberg sous champ, est étudiée et comparée aux récentes expériences de photoionisation d’atomes refroidis dans un MOT-3D. / This thesis presents the creation of charged-particle beam based on a source with a low energy spread. Common sources, based on thin nanometer-size needle, allows to create charged-particles beams with a high energy (electric higher than 10 kV are used) and with a high energy spread (higher than 1 eV) due to interactions between particles created close to each other. A new source, based on an atomic beam cooled transversaly and ionized using lasers, allows to extend the size of the source until 100 µm and limit the interactions between particles while creating a cold source with temperatures as low as few 100 µK and thus with a low energy spread. A guiding laser applied along the propagation axis of the atomic beam uses the dipole force to concentrate the atoms in a area with a size as little as 0,4 mm while keeping the properties of low temperature of the atomic beam. With this kind of source, it is possible to create a charged-particle beam with a current greater than 1 nA. A new process of ionisation based Rydberg ionisation is studied in this thesis and compared to the early experiments based on photoionisation of cold atoms from a 3D-MOT.

Neste trabalho estudamos algumas interações entre átomos de Rydberg em uma armadilha ótica de dipolo do tipo QUEST. Com esta armadilha obtemos uma amostra de 1,2 × 106 átomos de 85Rb no estado fundamental, à uma densidade de ∼ 1012 átomos/cm3 e temperatura média de 60 µK. Os átomos de Rydberg foram preparados utilizando uma transição de dois fótons a partir do estado fundamental 5S1/2, passando pelo estado intermediário 5P3/2 e em seguida para o estado de Rydberg desejado. Estudamos a interação entre pares de átomos, em diferentes níveis energéticos, através de duas técnicas diferentes. Na primeira, monitoramos os efeitos de transferência de população em estados nD oriundas de uma ressonância Förster. Estudamos a ressonância nD5/2 + nD5/2 → (n+2)P3/2 + (n2)F7/2 onde 37 ≤ n ≤ 47, em função da densidade da amostra atômica; e para o estado 37D5/2 manipulamos a mesma ressonância com a aplicação de um campo elétrico externo. Os resultados mostraram que este é um processo binário, evidenciado pela dependência quadrática da população no estado produto com relação ao estado excitado. Num outro experimento, estudamos a interação entre estados nS através do monitoramento, e controle, do efeito de bloqueio de excitação. Aqui mostramos que é possível controlar as interações interatômicas em uma amostra quasi-unidimensional de átomos de Rydberg variando a orientação de um campo elétrico externo. Mostramos que ao polarizar uma amostra de átomos no estado 50S1/2 com um campo, esta passa a interagir de modo semelhante ao de dipolos elétricos clássicos, onde a interação pode ser controlada com a variação da orientação dos dipolos atômicos. Tal interação pode, inclusive, ser cancelada quando os dipolos elétricos são alinhados em um ângulo de 54,7° com relação ao eixo internuclear. / In this work we have studied some interactions between Rydberg-atoms in a QUEST type optical dipole trap. With this trap we obtained a sample of 1,2 × 106 85Rb atoms in the ground state, in a density of ∼ 1012 atoms/cm3 and average temperature of 60 µK. The Rydberg-atoms were prepared using a two-photon transition from the ground state 5S1/2, through an intermediate state 5P3/2 and then to the desired Rydberg state. We have studied interactions between pairs of atoms at several energy levels, using two different techniques. In the first one, we have monitored the effects of the population transfer in nD states derived from a Förster resonance. We have studied the resonance nD5/2 + nD5/2 → (n + 2)P3/2 + (n 2)F7/2 for states of 37 ≤ n ≤ 47 as a function of of the samples atomic density. For the 37D5/2 state we have also manipulated the same resonance with the application of an external electric field. Our results have shown that this is a binary process, indicated by the quadratic dependence of the transferred population in relation with the excited state. In another experiment, we have studied the interaction between nS1/2 states by monitoring, and controlling, the excitation blockade effect. Here we have shown that it is possible to control the inter-atomic interactions in a quasi-one-dimensional sample of Rydberg-atoms by varying the orientation of an external electric field. We have demonstrated that when polarizing a sample of atoms, in the 50S1/2 state with a field, it starts to interact in a similar way as classic electric-dipoles, where the interaction can be controlled by varying the orientation of the atomic dipoles. Such interaction may even be canceled when the electric dipoles are aligned at an angle of 54,7° related to the internuclear axis.

Neste trabalho, apresentamos um amplo estudo das interações de longo alcance entre átomos de Rydberg frios na presença de campos elétricos estáticos. Nós observamos a transferência de população do estado quase molecular nD + nD para o estado (n+2)P após excitação pulsada na região de 29 ≤ n ≤ 41 em uma amostra de Rb aprisionada em uma armadilha magneto-óptica. A taxa de transferência pode ser manipulada com a presença de campo elétrico estático. Para explicar tais observações um modelo teórico multiníveis foi utilizado. O estudo de evolução temporal da população em (n+2)P mostrou que a dinâmica do processo é condizente com a interpretação clássica de uma transição diabática no domínio temporal. Utilizando um laser de excitação contínuo, realizamos experimentos envolvendo estados nD + nD, para 37 ≤ n ≤ 45, e estados nS + nS, para 39 ≤ n ≤ 47, onde foi possível estudarmos processos de transferência de população com resolução da estrutura fina. Também realizamos experimentos, tanto para estados nD quanto nS, para verificar a importância da estrutura hiperfina da estado fundamental no processo de transferência de população. / In this work, we present an extensive study of long-range interactions between cold Rydberg atoms in the presence of static electric fields. We have observed the population transfer from the quasi-molecular nD + nD state to the (n +2) P state after pulsed excitation for 29 ≤ n ≤ 41 in a sample of Rb trapped atoms in a magneto-optical trap. The transfer rate can be manipulated by the static electric field. To explain such observations, a multilevel theoretical model was used. The study of the time evolution of the population (n +2) P indicates that the dynamics of the process is consistent with a classical interpretation of a nonadiabatic transition in time domain. Using a CW laser excitation, experiments involving states nD + nD, for 37 ≤ n ≤ 45 states and nS + nS for 39 ≤ n ≤ 47, where performed with high spectral resolution. We also performed experiments for both states, nD and nS, to verify the importance of the hyperfine structure of the ground state in the process of population transfer.

Cette thèse traite de la réalisation d'un jet supersonique d'atomes de sodium, et de l'excitation des ces atomes dans un état de Rydberg en vue de les ralentir en utilisant l'interaction des forts moments dipolaires de ces états avec un champ électrique inhomogène dépendant du temps. Le jet supersonique d'atomes de sodium est produit par ablation laser et caractérisé par fluorescence induite par laser (T∥ ∼5 K et T⊥ ∼1 K). Les atomes sont excités optiquement dans un état de Rydberg. Des transitions Landau-Zener ont été mises en évidence pour des paires d'atomes de Rydberg évoluant dans des gradients de champ électrique dépendant du temps. L'interaction dipôle-dipôle entre les atomes de Rydberg plus proches voisins induit le changement d'état interne de la paire d'atomes. Nous proposons également un prototype de décélérateur Stark pour manipuler la vitesse des atomes de Rydberg du jet : avec ce dernier, il doit être possible de retirer environs 50 cm−1 à l'énergie cinétique des atomes de sodium. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec l'Université de Hanovre. Ces travaux ont concerné la photodissociation au seuil de molécules de dioxyde de soufre refroidies dans une expansion supersonique et ralentie avec un décélérateur Stark. Le but est de produire des atomes d'oxygène froid avec peu d'énergie cinétique afin de les piéger.

The properties of a Rydberg atom immersed in an ultracold environment were investigated. Two scenarios were considered, one of which involves the neighbouring ground-state atoms arranged in a spatially structured configuration, while the other involves them distributed randomly in space. To calculate the influence of the multiple ground-state atoms on the Rydberg atom, Fermi-pseudopotential was used, which simplified greatly the numerical effort. In many cases, the few-body interaction can be written down analytically which reveals the symmetry properties of the system. In the structured case, we report the first prediction of the formation of ``Rydberg Borromean trimers''. The few-body interactions and the dynamics of the linear A-B-A trimer, where A is the ground-state atom and B is the Rydberg atom, were investigated in the framework of normal mode analysis. This exotic ultralong-range triatomic bound state exists despite that the Rydberg-ground-state interaction is repulsive. Their lifetimes were estimated using both quantum scattering calculations and semi-classical approximations which are found to be typically sub-microseconds. In the disordered case, the Rydberg-excitation spectra of a frozen-gas were simulated, where the nuclear degrees of freedom can be ignored. The systematic change of the spectral shape with respect to the density of the gas and the excitation of the Rydberg atom were found and studied. Some parts of the spectral shape can be described by simple scaling laws with exponents given by the basic properties of the atomic species such as the polarizability and the zero-energy electron-atom scattering length.

Les atomes neutres sont des candidats prometteurs pour la réalisation et l'étude d'états intriqués à quelques dizaines de particules. Pour générer de tels états, une approche consiste à utiliser le mécanisme de blocage dipolaire résultant des fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg.Suivant cette approche, cette thèse présente la conception et la caractérisation d'un dispositif expérimental permettant de manipuler des atomes de 87Rb individuels piégés dans des pinces op- tiques microscopiques, et à les exciter vers des états de Rydberg. Un environnement électrostatique stable et des électrodes de contrôle permettent une manipulation fine de ces états. Avec deux pinces optiques séparées de quelques microns, nous démontrons le blocage de Rydberg entre deux atomes, et nous observons leur excitation collective.Enfin, en opérant en régime de blocage partiel, nous développons une méthode permettant de mesurer l'interaction de van der Waals ∆E = C6 /R6 entre deux atomes séparés par une distance R contrôlée. Les coefficients C6 obtenus pour différents états de Rydberg sont en bon accord avec des calculs théoriques ab initio, et nous observons l'augmentation spectaculaire de l'interaction en fonction du nombre quantique principal n de l'état de Rydberg.