Les états quantiques du neutron dans le champ de pesanteur offrent une situation unique ou on mesure un phénomène quantique associe à la gravitation. Les neutrons qui rebondissent sous l'effet de la pesanteur au dessus d'un miroir parfait voient leur énergie restreinte à prendre des valeurs discrètes. Le projet GRANIT vise a mesurer précisément les niveaux d'énergie. Une méthode originale de mesure de l'énergie de transition entre deux états quantiques est proposée, ce sera la première phase du projet GRANIT. Sa faisabilité est démontrée et les paramètres du dispositifs sont optimises. La sensibilité de GRANIT à une hypothétique interaction supplémentaire entre le neutron et le miroir est analysée. Le potentiel de découverte est compare à celui d'autres expériences utilisant des neutrons. Notamment, l'utilisation d'un spectrometre dédié à la mesure du moment dipolaire électrique du neutron pour rechercher une nouvelle interaction dépendant du spin sera discutée.

Le travail réalisé dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'une expérience effectuée à l'institut Paul Scherrer (PSI) et dédiée à la mesure du moment dipolaire électrique du neutron (nEDM). Une sensibilité de 1027 e.cm est attendue à la fin 2013. La mesure est réalisée avec des neutrons ultra-froids (UCN) polarisés. Pour ce faire, de nouveaux systèmes de polarisation, de transport et d'inversion de spin ont été réalisés. Leur étude est présentée dans ce mémoire. Ils sont actuellement utilisés auprès de l'expérience. Grâce à des mesures de champs magnétiques effectuées sur le spectromètre, des simulations de champs réalisées avec les codes Radia et Maentouch, ainsi qu'à des simulations Monte-Carlo effectuées avec le code Geant4, l'efficacité du dispositif de polarisation a été calculée. L'efficacité mesurée en direct est de 88.5 0.3%, soit légèrement moins que la valeur attendue de 95%. Par ailleurs, la prise de données préliminaire effectuée en octobre 2011 a permis de déterminer certains des paramètres fondamentaux de l'expérience, tel les constantes de temps de remplissage, de stockage et de dépolarisation longitudinale du spectromètre. Ces paramètres sont encourageants pour la suite de l'expérience.

Cette thèse s'inscrit dans un nouveau projet de mesure du moment dipolaire électrique (EDM) du neutron à l'institut Paul Scherrer. Deux aspects ont été étudiés ici: la détection et l'analyse de polarisation de neutrons ultra-froids. Trois types de détecteurs ont été testés à l'Institut Laue-Langevin (ILL): le Cascade-U (technologie GEM), le compteur à gaz 3He et des scintillateurs dopés au 6Li (type GS). Leur efficacité de détection ainsi que leur sensibilité au bruit de fond ont été mesurées. Sous les conditions expérimentales du spectromètre EDM, le scintillateur GS10 s'est montré compétitif avec le détecteur à gaz 3He. Un système de double scintillateur GS3/GS20 a permis d'améliorer la séparation entre signaux neutrons et gammas. Il s'est avéré 20% moins efficace que le détecteur à gaz 3He sous le spectromètre EDM. Le Cascade-U a, quant à lui, montré qu'il était 20% moins efficace qu'un GS10 de 500 microns d'épaisseur comme l'ont conrmé des simulations. Un nouveau système d'analyse simultanée de spin est présenté. Il consiste en deux systèmes de détection (bras) possédant chacun un spin flipper adiabatique, un analyseur de spin, et un détecteur. Les bras détectent chacun une composante de polarisation, permettant ainsi un comptage des deux états de spin du neutron. Des tests d'un prototype monté en situation horizontale à l'ILL ont montré que le pouvoir d'analyse des bras était de 80%. La transmission du système sans analyseurs est de 50%.

Les gaz ultrafroids permettent d'étudier sous un angle nouveau des hamiltoniens complexes issus de la matière condensée, tels le modèle de Fermi-Hubbard. Cette thèse présente une nouvelle méthode de mesure de l'équation d'état d'un gaz ultrafroid, autorisant une comparaison directe avec la théorie. Elle repose sur une mesure de la pression à l'intérieur d'un gaz à partir de son image in situ. Nous appliquons cette méthode à l'étude d'un gaz de fermions en interaction résonnante, un gaz de 7Li en interaction faible servant de thermomètre. De manière surprenante, aucune des théories à N corps du gaz unitaire ne rend compte intégralement de l'équation déduite de cette analyse. Le développement du viriel extrait des données à haute température est en accord avec la résolution du problème à trois corps. A basse température nous montrons, contrairement à un certain nombre d'études antérieures, que la phase normale se comporte comme un liquide de Fermi. Enfin, nous obtenons la température critique de superfluidité grâce à une signature claire sur l'équation d'état. Nous avons aussi mesuré la pression de l'état fondamental en fonction du déséquilibre de spin et de la force des interactions - mesure directement utile à la description de la croûte des étoiles à neutrons. Nos données valident les simulations Monte-Carlo et sont en accord avec les corrections Lee-Huang-Yang au champ moyen pour un superfluide fermionique ou bosonique. Nous observons que, dans presque tous les cas, la phase partiellement polarisée peut être décrite comme un liquide de Fermi de polarons. La masse effective du polaron déduite de l'équation d'état est en accord avec une étude de modes collectifs.

Les neutrons peuvent rebondir sur un miroir horizontal parfait, et se comporter comme des objets quantiques à quelques dizaines de microns de la surface. Le spectromètre GRANIT, situé à l'Institut Laue-Langevin (Grenoble, France), a pour but d'étudier les états quantiques du neutron dans le champ de pesanteur terrestre. L'énergie d'un neutron, que l'on pourrait calculer de façon analogue à celle d'une balle de tennis de table à l'échelle macrosopique, est dans ce cas visiblement contrainte à prendre des valeurs discrètes. L'étude de ces états quantiques peut permettre la découverte d'une déviation par rapport aux prédictions des modèles actuels. La production de neutrons ultra-froids, pouvant rebondir sur un miroir avec n'importe quel angle d'incidence, est primordiale pour le spectromètre. Le cryostat de la source de neutrons ultra-froids SUN1 a été amélioré, et les différentes étapes de production des neutrons ultra-froids dans la source et leur extraction vers le spectromètre ont été caractérisées par des mesures et modélisées avec des simulations. De plus, un nouveau type de détecteur de neutrons ultra-froids sensible à la position est en conception spécialement pour le spectromètre. / Neutrons can bounce upon a perfect horizontal mirror and become quantum objects at dozens of micrometers over its surface. The GRANIT spectrometer, located at the Laue-Langevin Institute (Grenoble, France) aims at studying the neutron quantum states in the Earth's gravitational field. The energy of a neutron, that could be calculated the same as the one of a ball at a macroscopic scale, is then forced to take discrete values. The study of such quantum states can lead to the observation of deviations from the predictions of nowadays models. The production of ultracold nuetrons, able tobounce on a mirror at any incidence angle, is essential for the spectrometer. The cryostat of the ultracold neutrons source has been improved, and the steps of the ultracold neutrons production in the source, as well as the extraction toward the spectrometer have been characterized by measurements and modeled with simulations. Moreover, a new type of position-sensitive detector of ultracold neutrons for the spectrometer is designed.

Dans le cadre de la mesure du moment dipolaire electrique du neutron (nEDM) au Paul Scherrer Institut (Suisse), cette thèse traite du développement d'un nouveau système d'analyse de spin. L'objectif est ici de détecter simultanément les deux composantes de spin de neutrons ultra froids dans le but de diminuer l'erreur statistique sur l'EDM du neutron. Un tel systme a été connu à l'aide de simulations GEANT4-UCN puis testé en tant que partie intégrante de l'appareillage nEDM. En parallèle de ce travail, les données nEDM de 2013 ont été analysées. Finalement, des méthodes de détermination d'observables magnétiques de premier intérêt pour le contrôle des erreurs systématiques sur l'EDM du neutron ont été testées et de possibles améliorations sont proposées.

Les thématiques abordées dans ce mémoire illustrent deux spécificités des gaz ultrafroids d'Hélium métastable : la possibilité de comparer les résultats expérimentaux à des évaluations théoriques précises (niveaux d'énergie, potentiels d'interaction) et une méthode de détection originale fournie par les ionisations Penning. Nous présentons la construction et la caractérisation d'un nouveau piège magnétique offrant un large accès optique et permettant ainsi de combiner la production d'un condensat de Bose-Einstein et son chargement in situ dans un réseau optique 3D. Les fondements théoriques des expériences prévues dans ces potentiels optiques sont ensuite détaillés. Dans un piège dipolaire croisé, l'influence du champ magnétique, devenu un paramètre libre, sur les taux de collisions Penning peut être mesurée et comparée à une nouvelle évaluation théorique. Concernant l'Hélium dans des réseaux optiques, deux sujets sont développés : l'effet du confinement sur les collisions inélastiques Penning (réseau 1D), ainsi que la modélisation des pertes Penning dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif (réseau 3D). Enfin, nous présentons la première mesure directe de la transition dipolaire magnétique 23S1 vers 23P2, liant les familles singulet et triplet de l'Helium 4. Cette expérience de spectroscopie, réalisée en collaboration avec le groupe de W. Vassen (LaserLab - Amsterdam), allie le domaine des atomes froids aux techniques des peignes de fréquences, afin d'obtenir une précision de 5 kHz.

Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages. / In this thesis, we report the theoretical study of an atom interferometer using thermal (i.e. non condensed) atoms trapped on a chip, with reduced mean-field effects. To keep an adequate level of coherence, a high level of symmetry between the arms of such an interferometer is required. To achieve this goal, we describe an experimental protocol based on microwave near-fields created by two coplanar waveguides carrying currents oscillating at different frequencies. This method enables the creation of two symmetrical microwave potentials that depend on the atomic internal state, and allows a state-selective symmetrical splitting of the atoms. We mainly consider two symmetrical configurations to separate the atoms either along the longitudinal axis or along the transverse axis of the static magnetic trap. In the case of a transverse splitting of the atoms, we discuss the advantages of using a custom microtrap that has the same field structure as a standard macroscopic Ioffe Pritchard trap, and we propose a practical design for such a microtrap. In the case of an axial splitting of the atoms, we study some physical factors limiting the ultimate performances of this interferometer such as: the dissymmetry of the microwave potentials, the effect of the fluctuations of static and microwave fields and the stability of the interferometer gravitational signal. We derive a simplified one-dimensional harmonic model to describe the interferometer contrast decay. Finally, we consider the possibility of non-adiabatic atomic splitting and recombination without vibrational heating by designing appropriate trajectories of the trapping-potentials based on the theory of dynamical invariants.

Cette thèse a pour objet l’étude des effets de cohérence de la propagation d’ondes en milieu désordonné, à l’aide d’atomes ultrafroids. Ces systèmes permettent un contrôle précis de paramètres clés, tels que la dimensionnalité, les interactions, la vitesse initiale des atomes et le potentiel externe. Utilisant cette flexibilité, il a été possible de réaliser des expériences en régime fortement et faiblement localisé. La première expérience traite de l’expansion d’un condensat, dont une fraction maximale de 20% est localisée, permettant ainsi l’observation de la localisation d’Anderson en 3D. Lors de la seconde expérience, les atomes ont été envoyés dans un désordre quasi 2D avec une vitesse initiale bien définie. Il a été possible d’observer la distribution en impulsions des atomes, et ainsi de mesurer le temps de libre parcours moyen et le temps de transport. La rétrodiffusion cohérente s’est clairement manifestée sous la forme d’un pic dans la direction opposée à la direction initiale. L’amplitude et la largeur de ce pic ont été étudiées, et les résultats sont en accord avec la théorie. Microscopiquement, la rétrodiffusion cohérente a pour origine l’interférence constructive entre chemins à diffusions multiples symétriques par renversement du temps (symétrie T). Cette symétrie de la propagation d’ondes a été ensuite manipulée. Un déphasage précis a été introduit grace à un pulse de gradient de champ magnétique, qui détruit la symétrie T ainsi que la rétrodiffusion cohérente, sauf pour un bref instant : une résurgence du pic est alors observée. Ce nouvel effet démontre explicitement le rôle de la cohérence et de la symétrie T dans la localisation faible. / In this manuscript the coherence effects of wave propagation in disordered potentials is studied. Our experiment uses ultracold atoms as a probe, a system allowing for a very good control over parameters such as the dimensionality, interactions, initial velocity of the atoms, and the potential landscape. Exploiting this flexibility we were able to perform experiments in the strongly and the weakly localized regime. In the former the 3D expansion of a BEC was monitored in real space, resulting in the observation of 3D Anderson localization with a maximum localized fraction of about 20%. In the latter the atoms were launched into a quasi-2D disorder with a well defined initial velocity. Monitoring the momentum space distribution the mean scattering time and the transport time can be directly measured, and coherent backscattering (CBS) is clearly visible as a peak in the backwards direction. In a first set of experiments the evolution of the CBS amplitude and width were recorded and found to be in good agreement with theory. Microscopically, CBS stems from the constructive interference of time-reversed multiply scattered paths. In a second set of CBS experiments we manipulated the time-reversal symmetry (TRS) of the wave propagation. A surgical dephasing was introduced via a shortly pulsed gradient field, which brakes TRS and suppresses CBS except for a brief moment, when a revival of CBS is observed. This novel effect showcases explicitly the role of coherence and TRS in Coherent Backscattering and weak localization.

Dans ce mémoire sont présentées plusieurs méthodes de refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège optique à faible taux de diffusion, le piège dipolaire croisé. Le piège est constitué de deux faisceaux focalisés croisés issus d'un laser Nd:YAG. Les atomes, dans l'un des sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental, restent confinés au croisement des foyers pendant une à deux secondes. Les densités accessibles sont élevées 10^12 atomes/cm3 environ). Pour manipuler ces atomes, on utilise la transition Raman stimulée à deux photons entre les états hyperfins. Une nouvelle forme d'impulsion très efficace reposant sur un transfert adiabatique entre ces niveaux a été mise au point au cours de ce travail. Cette impulsion est utilisée dans toutes les expériences de refroidissement décrites dans cette thèse.<br /><br />Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau.<br /><br />Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).