Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques. / This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.

Nós demonstramos, pela primeira vez, o resfriamento via laser de um feixe atômico duplo. Ao se carregar um forno a 650oC com uma liga de Li179Na obtêm-se uma destilação efusiva que produz um feixe com fluxos idênticos de Li e de Na. Este feixe formado por duas espécies é desacelerado pela técnica Zeeman utilizando-se dessintonias iguais a Li = -850 MHz e Na = +150 MHz das respectivas transições atômicas 2S1/2 F = 2 2P3/2 F = 3. Em um segundo experimento, mostramos uma nova armadilha magneto-óptica bicromática, em cela de vapor. Obtivemos um incremento de ~10 vezes no número de átomos resfriados utilizando uma armadilha de Na do tipo I circundada por uma armadilha do tipo II, que não se superpõe à primeira. Isto ocorre quando temos o laser de captura a 12 MHz para o vermelho da transição 32S1/2 F = 2 32P3/2 F = 2. Em um terceiro experimento, observamos a primeira armadilha magneto-óptica para alcalinos operando na transição 2S1/2 2P1/2 (linha D1). Para o caso escolhido de átomos de sódio, obtêm-se quatro armadilhas diferentes dentro desta linha D1, contendo de 105 a 107 átomos resfriados. Para duas delas, é necessário inverter-se o sinal das polarizações circulares usuais dos lasers de resfriamento, devido aos desvios Zeeman negativos dos níveis hiperfinos inferiores / We demonstrate, for the first time, a laser cooling of a double atomic beam. By loading an oven at 650oC with a Li179Na alloy we get an effusive distillation producing a beam with equal fluxes of Li and Na. This two-species beam was laser cooled by Zeeman technique with Li = -850 MHz and Na = +150 MHz detunings from the corresponding 2S1/2 F = 2 2P3/2 F = 3 atomic transitions. In a second experiment, we show a new two-color vapor-cell magneto-optical trap. By surrounding type-I Na trap with a non-overlaping type-II trap we achieve a ~10-fold improvement in the number of cooled atoms. This is achieved when the capture laser is detuned 12 MHz to the red of the 32S1/2 F = 2 32P3/2 F = 2 transition. In a third experiment, we observe the first alkaline magneto-optical trap operating on 2S1/2 2P1/2 transition (D1 line). For the choosen sodium atoms, we have four different traps within D1 line, with 105 to 107 cooled atoms. For two of them, one has to revert the usual sign of circular polarizations of the cooling lasers, due to negative Zeeman shift of the lower hyperfine levels

Nós demonstramos, pela primeira vez, o resfriamento via laser de um feixe atômico duplo. Ao se carregar um forno a 650oC com uma liga de Li179Na obtêm-se uma destilação efusiva que produz um feixe com fluxos idênticos de Li e de Na. Este feixe formado por duas espécies é desacelerado pela técnica Zeeman utilizando-se dessintonias iguais a Li = -850 MHz e Na = +150 MHz das respectivas transições atômicas 2S1/2 F = 2 2P3/2 F = 3. Em um segundo experimento, mostramos uma nova armadilha magneto-óptica bicromática, em cela de vapor. Obtivemos um incremento de ~10 vezes no número de átomos resfriados utilizando uma armadilha de Na do tipo I circundada por uma armadilha do tipo II, que não se superpõe à primeira. Isto ocorre quando temos o laser de captura a 12 MHz para o vermelho da transição 32S1/2 F = 2 32P3/2 F = 2. Em um terceiro experimento, observamos a primeira armadilha magneto-óptica para alcalinos operando na transição 2S1/2 2P1/2 (linha D1). Para o caso escolhido de átomos de sódio, obtêm-se quatro armadilhas diferentes dentro desta linha D1, contendo de 105 a 107 átomos resfriados. Para duas delas, é necessário inverter-se o sinal das polarizações circulares usuais dos lasers de resfriamento, devido aos desvios Zeeman negativos dos níveis hiperfinos inferiores / We demonstrate, for the first time, a laser cooling of a double atomic beam. By loading an oven at 650oC with a Li179Na alloy we get an effusive distillation producing a beam with equal fluxes of Li and Na. This two-species beam was laser cooled by Zeeman technique with Li = -850 MHz and Na = +150 MHz detunings from the corresponding 2S1/2 F = 2 2P3/2 F = 3 atomic transitions. In a second experiment, we show a new two-color vapor-cell magneto-optical trap. By surrounding type-I Na trap with a non-overlaping type-II trap we achieve a ~10-fold improvement in the number of cooled atoms. This is achieved when the capture laser is detuned 12 MHz to the red of the 32S1/2 F = 2 32P3/2 F = 2 transition. In a third experiment, we observe the first alkaline magneto-optical trap operating on 2S1/2 2P1/2 transition (D1 line). For the choosen sodium atoms, we have four different traps within D1 line, with 105 to 107 cooled atoms. For two of them, one has to revert the usual sign of circular polarizations of the cooling lasers, due to negative Zeeman shift of the lower hyperfine levels

L’effet de la transparence induite électromagnétiquement est observée à l’aidede cellules nanométriques et de cellules micrométriques. La résonance EIT avec de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) est obtenue dans des cellules étroites. L' éclatement de la résonance EIT dans un champ magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons un modèle théorique qui explique la dépendance du déplacement en fréquence des composantes de la résonance EIT en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord.Pour la première fois une résonance de type N est obtenue dans une micro-cellule. Nous obtenons de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) dela résonance N à l’aide d’une micro-cellule. Cela nous permet d’observer le comportement d’une résonance N dans un champ magnétique. L’éclatement de la résonance N dans unchamp magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons les calculs théoriques qui expliquent la dépendance du déplacement en fréquence des composantes dela résonance N en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord. Le comportement de la résonance N en régime hyperfin Paschen-Back est présenté et expliqué. Enfin une comparaison des résonances EIT et N est faite / The effect of electromagnetically induced transparency is observed, using nanocelland microcell. The EIT-resonance with good parameters (high contrast and small FWHM) is obtained in thick cells. The EIT-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of D1-line of 85Rb and 85Rb. The theoretical model, explaining the EIT-resonance components frequency shift dependence on magnetic field strength is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the EIT-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. For the first time the N-type resonance in microcell is observed. Good parameters of theN-type resonance in microcell are obtained. It allows us to observe the N-type resonance behavior in magnetic field. The N-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of 85Rb and 85Rb. The theoretical calculations of the N-resonance components frequency shift dependence on magnetic field is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the N-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. Simultaneous observation of N- and EIT-resonance is shown. Comparison of EIT- and N-resonance is made

The effect of electromagnetically induced transparency is observed, using nanocelland microcell. The EIT-resonance with good parameters (high contrast and small FWHM) is obtained in thick cells. The EIT-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of D1-line of 85Rb and 85Rb. The theoretical model, explaining the EIT-resonance components frequency shift dependence on magnetic field strength is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the EIT-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. For the first time the N-type resonance in microcell is observed. Good parameters of theN-type resonance in microcell are obtained. It allows us to observe the N-type resonance behavior in magnetic field. The N-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of 85Rb and 85Rb. The theoretical calculations of the N-resonance components frequency shift dependence on magnetic field is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the N-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. Simultaneous observation of N- and EIT-resonance is shown. Comparison of EIT- and N-resonance is made

Ce travail porte sur l'étude et la réalisation d'une nouvelle technique de décélération d'un jet supersonique de particules paramagnétiques en utilisant une onde de champ magnétique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une méthode de ralentissement basée sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un système paramagnétique en mouvement en présence d'un champ magnétique co-propageant. Cette méthode très innovatrice a l'avantage de pouvoir s'appliquer à une grande palette d'espèces ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d'applications. On décrit une approche théorique adaptée qui permet de faire un lien direct entre la théorie, la programmation des paramètres expérimentaux, les résultats obtenus et ce d'une manière systématique, rationnelle et prédictive.Ce mémoire est composé de trois parties. La première porte sur les forces décélératrices et le calcul des différentes forces, de type Stern Gerlach, utilisées dans nos expériences. Les formules établies dans cette partie sont essentielles pour l'interprétation des résultats expérimentaux. La deuxième partie porte sur le dispositif expérimental : le jet supersonique pré-refroidi, la zone d'interaction et la détection. On donne le détail de la réalisation des circuits créant les champs magnétiques nécessaires au guidage et à la décélération du jet. La troisième partie porte sur les résultats des expériences réalisées et leur interprétation directement à partir des équations du mouvement de l'effet Stern Gerlach. Des simulations sont présentées pour étayer les interprétations. On présente les résultats de décélération obtenus récemment sur l'argon et le néon métastables. Ces résultats valident clairement l'importance de l'ajout d'un champ magnétique uniforme qui définit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le découplage entre la précession des moments magnétiques et l'action des forces de gradient. Ces résultats mettent en évidence, aussi, l'effet de polarisation du jet qui dépend du sens relatif du champ magnétique uniforme ajouté par rapport à l'onde de champ magnétique progressive.Enfin, la compréhension et le contrôle de la dynamique du piégeage à une vitesse donnée, de l'accélération et de la décélération nécessitent le découplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de l'onde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnétique uniforme ajouté vient limiter les effets transverses de l'onde de champ magnétiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau décélérateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier résultat de piégeage du di-azote métastable à 560m/s est présenté et ceci ouvre la voie pour décélérer les molécules paramagnétiques en jet supersonique pulsé. La décélération des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable.

This theoretical thesis presents detailed study of negatively charged excitons - trions - confined in single quantum well in presence of perpendicular magnetic field. Complex valence band of GaAs/GaAlAs compound is described within Luttinger Hamiltonian framework. Singlet and triplet states of negative trion are introduced. Advanced theoretical analysis of Zeeman effect for different states of trion is performed. Landau gauge of magnetic field and unusual wavefunctions basis is chosen and its accuracy is tested. Evolution of ground state energy and photoluminescence spectra with magnetic field is evaluated for different values of Landé g-factors. Probability of occurrence of electrons with respect to the hole position and their spatial correlation function are investigated.

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.

Since Feynman's realization of using quantum systems to investigate quantum dynamics, interest in creating controllable quantum systems to simulate condensed matter phenomenon has been high. With the realization of BECs in 1995, the realization of a relatively clean testbed for simulating some of these phenomenon became a reality. My PhD research has been an exploration of the production and use of Bose-Einstein Condensates for the study of superfluidity. The first 3 years have been spent in the actual building of a Na BEC apparatus. During this time, we’ve implemented a distinct technique to trap ultra cold Na atoms, i.e. the Optically Plugged Trap. In the process, we have shown how atoms in a linear trap can show spin metastability and thus maintain a nonequilibrium state for long periods of time. In studying the interaction of ultra-cold atoms with light, we have developed a technique to measure the velocity distribution of atoms using a standing optical wave (Bragg Spectroscopy). Alongside this, we have also created optical traps for atoms in which we can change to shape of the trap itself to probe different condensed matter systems. The eventual goal being the investigation of condensed matter physics, specifically superfluidity, using ultra-cold atoms.

Ce mémoire porte sur mes travaux de recherche à l'interface entre la physique atomique des horloges et l'instrumentation laser. Ils ont pour objectif de réaliser de nouveaux spectromètres à très haute résolution en fréquence en réalisant la spectroscopie laser de transitions atomiques faiblement permises par couplage dipolaire électrique ou complètement interdites à des fréquences de référence de plusieurs centaines de térahertz. Après avoir brièvement rappelé la structure hyperfine et magnétique de la transition d'horloge de l'état fondamental du césium, atome retenu depuis 1967 pour la définition de la seconde, je poursuivrai avec une étude détaillée, théorique et expérimentale, des états magnétiques d'un spin nucléaire par spectroscopie laser de la transition d'horloge optique entre les états 1S0 et 3P0 d'une espèce fermionique possédant une configuration électronique (ns,nl) avec deux électrons de valence comme le strontium, l'ytterbium ou le mercure. Nous discuterons également l'existence d'un champ magnétique statique "magique" capable de réduire fortement le déplacement linéaire et quadratique Zeeman de la transition d'horloge grâce à l'habillage du spin nucléaire à l'aide d'un champ de radiofréquence. Le manuscrit se focalise ensuite sur la possibilité de réaliser l'interrogation de la transition interdite en préparant l'espèce bosonique, de spin nucléaire nul, dans une superposition d'états quantiques transparente à la lumière laser. Afin de garantir une préparation rapide et efficace de cette superposition d'états tout en éliminant la correction de fréquence induite par la présence de déplacements lumineux, le mémoire présente une nouvelle méthode de spectroscopie à 2 photons par résonance noire en régime impulsionnelle étendue ensuite à la spectroscopie Hyper-EIT/Raman. Le manuscrit se termine avec la présentation d'un nouveau projet de recherche sur la spectroscopie laser infrarouge en sciences atmosphériques et astrophysiques à l'interface entre la physique moléculaire et le développement instrumental d'une source laser ultra-stable en fréquence.