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International audience; Enseignement Cours : Une brève histoire des atomes froids Peut-on contrôler l’équilibre thermodynamique d’un échantillon de matière en utilisant de la lumière aux caractéristiques bien choisies ? Depuis les articles fondateurs d’Einstein et de Kastler, cette question a accompagné le développement de la physique atomique et de l’optique quantique. À partir des années 1970, le développement des sources laser accordables est venu lui donner un nouvel éclairage, avec notamment les propositions...

The thesis work presented in this manuscript is about the experimental development of a hybrid cold atom inertial unit. Such an instrument would improve the performances of embeddable inertial measurement units, composed of classical inertial sensors suffering from a bias drift leading to positioning errors after a few hours of navigation. The goals of this thesis are to address two blocking points that prevent today the construction of an embedded atom inertial measurement unit: the horizontal acceleration measurement by atom interferometry, and the limited dynamic range of atomic sensors in terms of rotations. To do so, we work on a laboratory experiment that generates a cloud of cold 87Rb atoms, in order to perform atom interferometry sequences with stimulated Raman transitions. The Raman beams are retroreflected off a mirror on which a classical accelerometer is fixed, in order to be hybridized with the atomic sensor. To solve the degeneracy issue of +- k_eff Raman transitions in the low velocity regime, we have developed two methods to measure the horizontal acceleration with an atom interferometer. The first method consists in applying a fast frequency chirp on the horizontal Raman lasers to simulate an equivalent Doppler shift in the horizontal measurement direction. With this method we have built a Mach-Zehnder type atomic sensor, hybridized with a classical accelerometer, with a short term sensitivity of 3.2 x 10^-5 m.s^-2/racine{Hz}. The second technique is based on Raman transitions between the hyperfine states |F=1,m_F= -+ 1> and|F=2,m_F= +- 1> with sigma+ - sigma- polarized Raman beams. Thanks to the polarization selection rules, this configuration allows only one counter-propagating transition, despite the absence of a Doppler effect. By implementing this method, we have built a hybridized sensor with a short term sensitivity of 22 x 10 ^-5 m.s^-2/racine{Hz}. The systematic effects associated with each one of the methods have been studied theoretically and experimentally. The last chapter presents a new interferometric method to extend the dynamic range of operation of atomic inertial sensors in the presence of rotations. It is until now kept secret by the Direction Générale de l'Armement., Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur le développement expérimental d'une centrale inertielle hybride à atomes froids. Un tel instrument permettrait d'améliorer les performances des centrales inertielles embarquées aujourd'hui, composées de capteurs inertiels classiques souffrant d'une dérive de biais induisant une erreur de positionnement après quelques heures de navigation. Les objectifs de cette thèse sont d'adresser deux points bloquants qui empêchent aujourd'hui de construire une centrale inertielle atomique embarquable : la mesure d'accélération horizontale par interférométrie atomique, et la plage de fonctionnement faible en rotation des capteurs atomiques. Pour cela, nous utilisons un dispositif expérimental de laboratoire qui génère un nuage d'atomes froids de 87Rb, afin d'effectuer des séquences d'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Les faisceaux Raman sont rétro-réfléchis par un miroir sur lequel est fixé un accéléromètre classique destiné à être hybridé avec le capteur atomique. Pour s'affranchir du problème de dégénérescence des transitions Raman +- k_eff en régime de faible vitesse, nous avons développé deux méthodes de mesure de l'accélération horizontale par interférométrie atomique. La première méthode consiste à appliquer une rampe de fréquence sur les faisceaux Raman horizontaux, pour retrouver l'analogue d'un effet Doppler dans la direction de mesure horizontale. Grâce à cette méthode, nous avons construit un capteur atomique de type Mach-Zehnder, hybridé avec un accéléromètre classique, dont la sensibilité court terme vaut 3.2 x 10^−5 m.s−2/racine{Hz}. La seconde technique repose sur une transition Raman entre les états hyperfins |F=1,m_F= -+ 1> et |F=2,m_F= +- 1> avec des faisceaux Raman polarisés sigma+ - sigma-. Grâce aux règles de sélection en polarisation, cette configuration n'autorise qu'une seule transition contra-propageante, malgré l'absence d'effet Doppler. En implémentant cette méthode, nous avons construit un capteur hybridé ayant une sensibilité court terme de 22 x10 ^-5 m.s^-2/racine{Hz}. Les effets systématiques associés à chacune des deux méthodes ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Le dernier chapitre, de nature théorique, présente une nouvelle méthode interférométrique permettant d'étendre la plage de fonctionnement en rotation des capteurs inertiels atomiques. Il est jusqu'à ce jour tenu au secret par la Direction Générale de l'Armement.

Producing interactions between optical photons is a major concern for the implementation of quantum communication protocols, for photonic quantum computing, as well as for the exploration of interacting photonic fluids. This thesis presents a new experimental platform designed to obtain such interactions via a small atomic ensemble coupled to a cavity. The photons injected through the cavity are transiently converted into Rydberg excitations, characterized by strong van der Waals interactions spanning the whole atomic cloud. This hybridization between photons and atomic excitations, also called polariton, allows us to achieve strong optical nonlinearities at the single-photon level. The first part of this thesis presents the new experimental setup, its construction and the technical choices. The second part then focuses on the characterization of the experiment and the different steps required to achieve strong interactions between photons: the preparation of a small atomic cloud in the cavity, the strong collective coupling with the cavity mode and the hybridization between photons and atomic excitations. The last part covers two experiments conducted with the platform. First, the strong interactions provided by Rydberg excitations are used to realize a nonlinear quantum memory. This mechanism is an efficient way to produce single photons and allows us to truncate a coherent state. The second experiment addresses the control and single-shot detection of a single Rydberg excitation in the cloud. In particular, one Rydberg atom is enough to induce a sign flip of the electromagnetic field reflected by the cavity., La production d'interactions entre photons optiques est une préoccupation majeure pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique, le calcul quantique photonique et l'exploration de fluides photoniques en interaction. Cette thèse présente une plateforme expérimentale conçue pour obtenir ces interactions via un petit ensemble d’atomes couplé à une cavité. Les photons injectés à travers le résonateur sont transitoirement convertis en excitations de Rydberg, caractérisées par de fortes interactions de van der Waals couvrant l’ensemble. Cette hybridation entre photons et excitations atomiques, aussi appelé polariton, permet d’atteindre des non-linéarités optiques entre quelques photons. La première partie de cette thèse présente le dispositif expérimental, aborde la construction et les choix techniques. La deuxième partie se concentre sur la caractérisation de l'expérience et les différentes étapes nécessaires pour atteindre de fortes interactions : la préparation d'un petit nuage atomique, le fort couplage collectif avec le résonateur, l'hybridation entre photons et excitations atomiques. La dernière partie présente deux expériences menées avec la plateforme. Dans la première, les fortes interactions obtenues par les excitations de Rydberg sont utilisées pour réaliser une mémoire quantique non linéaire. Ce mécanisme tronque un état cohérent et permet de produire efficacement des photons uniques. La deuxième expérience porte sur le contrôle et la détection à mesure unique d'une excitation Rydberg dans le nuage. En particulier, un atome de Rydberg est suffisant pour induire un changement de signe du champ réfléchi sur la cavité.

final (published) version, in English (38 pages) and in French (38 pages); International audience; We consider a 3D homogeneous superfluid at low temperature $T$ with 2 types of excitations, gapless phonons with a linear dispersion relation at low wavenumber, and gapped quasiparticles with a quadratic dispersion relation around extrema. We calculate the scattering amplitude of a phonon on a quasiparticle to leading order in $T$ for all subsonic quasiparticle velocities, with a $S$-matrix formalism between exact asymptotic states dressed by virtual phonons. We then characterize the erratic motion of the quasiparticle in the superfluid due to its unceasing collisions with thermal phonons through mean force $F(k)$, longitudinal and transverse $k$-dependent momentum diffusion coefficients, and spatial diffusion coefficient. At the minimum location $k_0$ of the dispersion relation, where the velocity vanishes, $F(k)$ varies linearly with velocity with an isotropic friction coefficient; if $k_0=0$, the momentum diffusion is also isotropic and $F(k_0)=0$; if $k_0>0$, it is not, and $F(k_0)$ is nonzero but subleading with respect to friction by one order in $T$. The velocity time correlation function, whose integral is the spatial diffusion coefficient, decays with the mean velocity damping rate if $k_0=0$; if $k_0>0$, it has a second exponential component, with an amplitude and a damping rate lower by a factor $\propto T$ (it is the velocity direction thermalization rate). We also characterize force and momentum diffusion close to the stability domain sonic edge. Our general expressions are expected to be exact to leading order in $T$. We illustrate them in the BCS approximation, for a fermionic quasiparticle (an unpaired fermion) in a superfluid of spin 1/2 fermions, realisable with cold atoms in flat bottom traps. We also refute the statement of Lerch, Bartosch and Kopietz (2008), that there would be no fermionic quasiparticle in such a superfluid.; Nous considérons en dimension 3 un superfluide homogène de très basse température $T$ présentant deux types d'excitations, (i) des phonons acoustiques sans bande interdite de relation de dispersion linéaire à faible nombre d'onde, et (ii) des quasi-particules $\gamma$ à bande interdite de relation de dispersion quadratique (massive) au voisinage de ses extréma. Des travaux récents [Nicolis et Penco (2018), Castin, Sinatra et Kurkjian (2017, 2019)], prolongeant l'étude historique de Landau et Khalatnikov sur l'interaction phonon-roton dans l'hélium 4 liquide, ont déterminé explicitement l'amplitude de diffusion d'un phonon thermique sur une quasi-particule $\gamma$ au repos à l'ordre dominant en température. Nous généralisons ce calcul au cas d'une quasi-particule $\gamma$ de vitesse de groupe subsonique arbitraire, avec une construction rigoureuse de la matrice $S$ entre états asymptotiques exacts, tenant compte de l'interaction incessante phonon-phonon et phonon-$\gamma$, qui habille le phonon et la quasi-particule $\gamma$ incidents ou émergents de phonons virtuels ; ceci apporte un éclairage physique nouveau sur les diagrammes de Feynman de la diffusion phonon-$\gamma$. Dans tout le domaine de l'espace des paramètres (nombre d'onde $k$, force des interactions, etc) où la quasi-particule $\gamma$ est énergétiquement stable vis-à-vis de l'émission de phonons de vecteurs d'onde arbitraires, nous pouvons dès lors caractériser le mouvement erratique qu'elle effectue dans le superfluide à la suite de ses collisions incessantes avec les phonons thermiques, au travers (a) de la force moyenne subie $F(k)$ et (b) des coefficients de diffusion en impulsion longitudinal $D_\parallel(k)$ et transverse $D_\perp(k)$ intervenant dans une équation de Fokker-Planck puis, aux temps longs où la quasi-particule s'est thermalisée, (c) du coefficient de diffusion spatiale $\mathcal{D}^{\rm spa}$, indépendant de $k$. À l'endroit $k_0$ d'un extrémum de la relation de dispersion, où la vitesse de groupe de la quasi-particule s'annule, $F(k)$ varie linéairement en vitesse avec un coefficient de frottement visqueux isotrope $\alpha$ que nous calculons ; si $k_0=0$, la diffusion en impulsion est elle aussi isotrope et $F(k_0)=0$ ; si $k_0>0$, elle ne l'est pas ($D_\parallel(k_0)\neq D_\perp(k_0)$), et $F(k_0)$ est non nul mais sous-dominant par rapport à $\alpha$ d'un ordre en température. La fonction de corrélation temporelle de la vitesse, dont l'intégrale donne $\mathcal{D}^{\rm spa}$, distingue aussi entre ces deux cas ($k_0$ est cette fois l'endroit du minimum) : si $k_0=0$, elle décroît exponentiellement, avec le taux d'amortissement visqueux attendu de la vitesse moyenne ; si $k_0>0$, elle est bimodale et admet une seconde composante, d'amplitude plus faible par un facteur $\propto T$, mais de taux d'amortissement plus faible dans le même rapport (c'est le taux de thermalisation de la direction de la vitesse), ceci compensant cela. Nous caractérisons aussi analytiquement le comportement de la force et de la diffusion en impulsion au voisinage de tout bord sonique du domaine de stabilité où la vitesse de la quasi-particule tend vers la vitesse du son dans le superfluide. Les expressions générales données dans ce travail sont censément exactes à l'ordre dominant en température (ordre $T^8$ pour $F(k)$, ordre $T^9$ pour $D_\parallel(k)$, $D_\perp(k)$ et $F(k_0)$, ordre $T^{-7}$ pour $\mathcal{D}^{\rm spa}$). Elles supposent cependant une connaissance exacte de la relation de dispersion de la quasi-particule $\gamma$ et de l'équation d'état du superfluide à température nulle. Nous les illustrons donc dans l'approximation BCS, après calcul du domaine de stabilité, pour une quasi-particule $\gamma$ fermionique (un fermion non apparié) dans un superfluide de fermions de spin 1/2 non polarisé, système réalisable avec des atomes froids dans des pièges à fond plat ; ce domaine présente d'ailleurs une intéressante ligne d'instabilité subsonique du premier ordre, inobservée, où la quasi-particule se déstabilise par émission de phonons de vecteurs d'onde non infinitésimaux, en plus de la ligne d'instabilité sonique attendue issue du critère de Landau. En passant, nous réfutons la thèse de Lerch, Bartosch et Kopietz (2008), selon laquelle il n'existerait pas de quasi-particule fermionique dans un tel superfluide.

This thesis treats an experiment which aims to confine sodium atoms in an elongated magnetictrap generated by an atom chip. The chip contains a microwave guide : we intend to findand use a novel Feshbach resonance to tune the atoms’ interaction strength and explore thedifferent regions of a one-dimensional (1-D) gases’ phase diagram. A 1-D gas is characterizedby correlations in density fluctuations. To see these, we must take data over many samples ofthe gas, so steps were taken to increase the repetition rate. To that end, the initial cooling ofthe gas takes place in a chamber far from the atom chip and a cold cloud is transported viaa chain of magnetic trap coils. We have optimized the transport in these coils so that we cantransport a cloud 30 cm in 600 ms while keeping over 80% of the atoms. Data about the gasis obtained via imaging. This thesis presents three objectives for imaging the cloud in threedifferent conditions : before, during, and after it is in the trap generated by the chip. The second part presents preliminary theoretical work on “parity counters” for dynamicalsystems. The goal is to use these counters to answer questions of ergodicity. This work wasinspired by triangular billiards which can encode 1-D systems. We study a counter for asimpler system, irrational rotations, and find properties of the growth that can be expected in all parity counters., Cette thèse traite d’une expérience visant à confiner des atomes de sodium dans un piège magnétique très anisotrope créé par une puce à atomes. La puce contient un guide micro-onde : nous prévoyons en effet d’utiliser une résonance de Feshbach dans le domaine microonde, encore jamais observée, pour contrôler la force des interactions entre atomes et explorer les régions du diagramme de phase d’un gaz unidimensionnel (1D). Un gaz 1D présente des corrélations dans ses fluctuations de densité. Pour les observer, il faut accumuler des données de nombreuses réalisations du gaz, ainsi l’expérience est conçue pour atteindre des taux de répétition élevés. Pour cela, la zone de préparation initiale du nuage est placée à distance de l’enceinte à vide contenant la puce atomique et le nuage froid est transporté via une chaîne de bobines de piégeage magnétique. Nous avons optimisé le transport dans ces bobines afin de pouvoir transporter un nuage sur 30 cm en 600 ms tout en conservant plus de 80% des atomes. Les données sur le gaz sont obtenues par imagerie. Nous présentons trois objectifs pour imager le nuage dans trois conditions différentes : avant, pendant et après la phase de piégeage par la puce. Une deuxième partie présente des travaux théoriques sur les “compteurs de parité” pour les systèmes dynamiques, permettant d’établir le caractère ergodique du système. Ce travail s’inspire d’un système de billards triangulaires, qui peuvent coder certains systèmes 1D. Nous étudions le comportement d’un compteur pour un système plus simple, les rotations irrationnelles, et trouvons les propriétés de croissance que l’on peut attendre pour tous les compteurs de parité.

We study the long-range force arising from the absorption of non-saturating laser beams in a two-dimensional cloud of cold atoms. The force created by the lasers is at- tractive and similar to the usual Newtonian gravity along the beam. The cloud is composed of bosonic strontium 88 cooled and trapped on the intercombination line. Transferring the atoms in a two-dimensional optical dipole trap in a magical wavelength configuration, a canonical non-equilibrium phase transition is expected. Below a critical temperature, self- gravitating particles in two dimensions can collapse, nearly by the same mechanism stars are forming. We observed experimentally transient compressions, a halfway satisfactory result originating from the power limitation of our dipole trap. The second part of the thesis focuses on the theoretical realization a minimal Brownian motor within a system of trapped particles in 2D, similarly to our experimental situation. The phenomenon char- acterizing the Brownian motor is the appearance of a macroscopic current of particles. We have shown that this direct transport of particles is independent of the details of the trapping potential and obtained if and only if two symmetries are jointly broken: By the presence of two heat baths along orthogonal directions together and an anisotropic trap misaligned from the temperature axes.; Nous avons étudié les effets de la force longue portée résultante de l’absorption de faisceaux lasers dans un nuage d’atomes froids à deux dimensions. La force créée est attractive et reproduit la gravité Newtonienne le long du faisceau. Le nuage d’atomes, composé de strontium 88 (bosons), est refroidi et piégé sur la transition d’intercombinaison. En transférant les atomes dans un piège dipolaire à deux dimensions à la longueur d’onde magique, une transition de phase hors d’équilibre se produit dans l’ensemble canonique. En dessous d’une température critique, un système de particules autogravitantes peut collapser, phénomène rappelant le processus de formation des étoiles. Nous avons observé expérimentalement, des régimes de compressions transitoires, un résultat en partie satisfaisant qui pourrait être amélioré avec l’utilisation de pièges dipolaires plus puissants. La seconde partie de la thèse se penche sur la réalisation théorique d’un moteur Brownien à partir d’un système de particules piégées à deux dimensions, une situation similaire à notre expérience de collapse à deux dimensions. L’obtention d’un moteur Brownien est caractérisée par l’apparition d’un courant macroscopique de particules. Nous avons montré que ce transport est indépendant des détails du piège et dépend seulement d’une double brisure de symétrie : Résultant de la présence de deux bains thermiques suivant deux axes orthogonaux et d’un piège anisotrope désaligné des axes thermiques.

The first part of this thesis treats an experiment in which we will confine sodium atoms in an elongated magnetic trap generated by an atom chip, detailed herein. We intend to find and use a novel Feshbach resonance to tune the atoms' interaction strength and explore the different regions of a one-dimensional gases' phase diagram; as distinguished by correlations in fluctuations. This entails making many samples of the gas so steps were taken to increase the repetition rate.To that end, the initial cooling of the gas takes place in a chamber far from the atom chip and a cold cloud is transported via a chain of magnetic trap coils. We have optimized the transport in these coils so that we can transport a cloud 30 cm in 600 ms while keeping over 80% of the atoms. Comparable experiments need several seconds. Data about the gas is obtained via imaging. This thesis presents three objectives for imaging the cloud in three different conditions: before, during, and after it is in the trap generated by the chip.The second part presents preliminary theoretical work on "parity counters" for dynamical systems. The goal is to use these counters to answer questions of ergodicity. We define a counter for irrational rotations and find properties of the growth that can be expected in all parity counters. Rotations are simpler than the system which inspired this work: triangular billards (which can encode 1-D systems)., La première partie de cette thèse traite d'une expérience pour confiner des atomes de sodium dans un piège magnétique allongé généré par une puce à atomes. Un des objectifs de l'expérience est de détecter et d'utiliser une nouvelle résonance de Feshbach pour régler la force d'interaction des atomes et explorer le diagramme de phase d'un gaz unidimensionnel, dont les régions se distinguent par des corrélations dans les fluctuations. Pour ce faire, il faut produire de nombreux échantillons du gaz, de sorte que le montage a été conçu pour assurer un taux de répétition élevé.À cette fin, le refroidissement initial du gaz a lieu dans une enceinte éloignée de la puce atomique et un nuage froid est transporté via une chaîne de bobines de piégeage magnétique. Nous avons optimisé le transport dans ces bobines afin de pouvoir transporter un nuage sur 30 cm en 600 ms tout en conservant plus de 80% des atomes. D'autres expériences ayant des efficacités comparables nécessitent plusieurs secondes. Les données sur le gaz sont obtenues par imagerie. Cette thèse présente trois objectifs pour imager le nuage dans trois conditions différentes : avant, pendant et après son confinement dans le piège généré par la puce. La deuxième partie présente des travaux théoriques préliminaires sur les "compteurs de parité" pour les systèmes dynamiques. L'objectif est d'utiliser ces compteurs pour caractériser l'ergodicité du système. Nous définissons un compteur pour les rotations irrationnelles et trouvons les propriétés de croissance que l'on peut attendre dans tous les compteurs de parité. Les rotations étudiées sont plus simples que le système qui a inspiré ce travail : les billards triangulaires (qui peuvent coder des systèmes 1-D).

One-dimensional quantum systems have long been seen as simple toy-models but are nowadays often realized in ultracold atoms experiments. In those experiments the confining potential creates a spatial inhomogeneity. This breaks the translation invariance which plays a key role in exact analytical solutions as the Bethe Ansatz. In this thesis, we propose an effective theory generalizing the Luttinger liquid approach for inhomogeneous systems. In this setup, the effective action lives in curved space. However, making the hypothesis of separation of scales allow to compute the action's parameters by using Bethe Ansatz. The problem can then be solved in flat space by using tools from conformal theory. This leads us to solving the inhomogeneous gaussian free field that gives access to all correlation functions of the model under investigation. Here we focus on the Lieb-Liniger model. Our results are tested against DMRG simulations., Si les systèmes quantiques à une dimension ont longtemps été vus comme de simples modèle-jouets, bon nombre sont à présent réalisés dans les expériences d’atomes ultra-froids. Dans ces expériences, le potentiel de confinement du gaz induit nécessairement une inhomogénéité spatiale. Cette inhomogénéité brise l'invariance par translation qui joue un rôle clé dans les solutions analytiques, notamment celle de l'Ansatz de Bethe. On propose dans cette thèse de développer une théorie des champs effective à même de caractériser ces gaz quantiques inhomogènes, en généralisant la théorie du liquide de Luttinger. Dans ces conditions la métrique de l'action effective est courbe. Sous une hypothèse de séparation des échelles, les paramètres de l'action peuvent néanmoins être fixés par les solutions de l'Ansatz de Bethe. Le problème peut alors se ramener au cas d'un espace plat en faisant appel aux théories conformes. On est ainsi amené à résoudre le champ libre gaussien inhomogène, qui donne accès à toutes les fonctions de corrélations du modèle considéré. Dans cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement au modèle de Lieb-Liniger. Les résultats obtenus sont comparés au système simulé par DMRG.

This work focuses on the development of a cold-atom inertial sensor measuring the gravity, the vertical gravity gradient and the horizontal acceleration, by choosing technologies enabling to obtain an onboard and hybrid inertial sensor. The experimental setup generates a cold atom cloud of 87Rb, allows vertical et horizontal interferometry sequences using retroreflected contrapropagating stimulated Raman transitions, and allows a maximum free fall distance of 20 cm. The sensitivity obtained for the measurement of the gravity is 68 microGal/VHz and the optimal resolution reached 1,4 microGal after 6000 s of integration. The four-pulses interferometry sequence has been used for the measurement of the vertical gravity gradient. The sensitivity and the systematics have been studied. Our measurement, extrapolated with a sensor allowing 1 meter free fall and limited by quantum projection noise, could reach a sensitivity of 13 E/VHz, competitive with state of the-art. This method could be used for the measurement of rotations in an onboard inertiel sensor. A measurement of horizontal acceleration using simple diffraction interferometer with horizontal retroreflected contrapropagation stimulated Raman transitions. To lift the degeneracy of the two Raman transitions in the horizontal axis with zero-velocity atoms, we chirp the frequency of the Raman beam. It allows us to realize a Mach-Zehnder atom interferometer to measure the horizontal acceleration., Ce manuscrit présente le développement expérimental d’un capteur inertiel à atomes froids mesurant l’accélération de pesanteur, la composante verticale du gradient de gravité et l’accélération horizontale, en choisissant des technologies qui permettent d’obtenir un capteur inertiel embarquable et hybridé avec des capteurs classiques. Le dispositif expérimental permet d’effectuer des séquences d’interférométrie verticales et horizontales avec des transitions Raman stimulées rétroréfléchies contra-propageantes. La séquence d’interférométrie à quatre impulsions Raman a été utilisée pour mesurer le gradient de gravité. Les effets systématiques ont été étudiées afin d’obtenir l’exactitude de la mesure. Notre mesure extrapolée avec une chute libre de 1 mètre et limitée par le bruit de projection quantique permettrait d’atteindre des sensibilités du même ordre que l’état de l’art. Cette méthode est intéressante pour un capteur embarquable car elle est facile à mettre en place, et elle est insensible à la force de Coriolis, qui cause une grosse chute de contraste pour un interféromètre Mach-Zehnder en dynamique. Cette méthode peut être utilisée pour la mesure de rotation dans un capteur inertiel embarqué. Une mesure de l’accélération horizontale a été effectuée en simple diffraction avec des faisceaux lasers Raman horizontaux contra-propageants et rétro-réfléchis. Pour la mesure de l'accélération horizontale, un interféromètre Mach-Zehnder horizontal a été utilisé. Une rampe de fréquence est appliquée sur les faisceaux Raman pour levée la dégénérescence des deux paires Raman. La mesure effectuée a une sensibilité proche de l'état de l'art.

The physics of strongly correlated quantum many-body systems is a very rich problem under heavy investigation. These systems can present many spectacular properties at the macroscopic scale such as superfluidity. Cold atom gases are excellent systems to investigate quantum many-body physics thanks to their great versatility and their high degree of controllability. This thesis deals with the study of the properties of an impurity immersed in a two-component Fermi superfluid, in the BEC-BCS crossover. In this thesis, we measure experimentally the lifetime of boson impurities immersed in a Fermi superfluid, as well as the fermion-impurity interactions. The lifetime measurements not only informs us on the stability of the system but also on the short-range correlations of the Fermi gas by giving us access to the two-body fermionic contact parameter. The study of the impurity-fermion interactions is realized with the analysis of the oscillations of a gas of impurities inside a Fermi superfluid. Finally, we pursue a theoretical study of the phase diagram of an impurity interacting weakly with a Fermi superfluid, as well as a calculation of the polaron energy beyond the mean-field approximation, obtained after a regularization of this 2N+1 body problem using a three-body interaction. Qualitatively speaking, obtaining this energy in the BEC-BCS crossover allows us to bridge between the descriptions of the Bose polaron and the Fermi polaron. Quantitatively-wise, this calculation provides a correction beyond the mean-field term, needed to achieve a percent-level agreement between theory and experiment sought in quantum many-body physics., La physique des systèmes quantiques à N corps fortement corrélés est un problème très riche au cœur de nombreuses recherches actuelles. En particulier, ces systèmes peuvent posséder des propriétés spectaculaires à l’échelle macroscopique, comme la superfluidité. Les gaz d’atomes froids constituent d’excellents systèmes pour l’étude du problème à N corps du fait de leur grande versatilité et de leur haute contrôlabilité. Cette thèse porte sur l’étude des propriétés d’une impureté plongée dans un gaz de fermions superfluide à deux composantes à travers le crossover BEC-BCS. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement le temps de vie d’impuretés bosoniques dans un superfluide fermionique ainsi que les interactions entre impuretés et fermions. La mesure du temps de vie des impuretés dans le superfluide nous renseigne sur la stabilité du système et nous permet d’obtenir le contact de Tan pour deux fermions, lié à la physique des corrélations à courte portée au sein du superfluide dans le crossover. L’étude des interactions entre une impureté et le superfluide est réalisée en analysant les oscillations d’un gaz d’impuretés à l’intérieur du superfluide. Finalement, nous menons une étude théorique du diagramme de phase de l’impureté faiblement couplée au superfluide, avec une étude approfondie de l’énergie du polaron au-delà de l’approximation de champ moyen en régularisant ce problème à 2N+1 corps grâce à l’utilisation d’une interaction à trois corps. Du point de vue qualitatif, l’obtention de l’énergie de ce système à travers le crossover BEC-BCS nous permet de faire le pont entre les descriptions du polaron de Bose et du polaron de Fermi. Du point de vue quantitatif, ce calcul fournit une correction au terme de champ moyen, nécessaire pour atteindre un accord au pour-cent près entre la théorie et l’expérience, un des objectifs de la physique des systèmes quantiques.

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light propagating in a random medium. We are interested in phenomena like the super- and subradiance and Anderson localization that are related to waves interferences and spatial disorder. However, the fundamental difference between subradiance and Anderson localization still needs to be clarified. This thesis gives new elements for the understanding of these phenomena and we present a new method to observe Anderson localization. A mean-field model that does not contain disorder is developed, and we show that super- and subradiance do not require disorder whereas Anderson localization does. In this theoretical work, the coupling between the light and many atoms is reduced to a coupling matrix between the atoms by tracing over the degrees of freedom of the light, which results in a linear problem for the atomic dipoles. The study of the eigenvalues and eigenmodes of this matrix then allows to determine the super- and subradiant modes, and to probe the Anderson localization phase transition with a scaling analysis. Furthermore, the link to the experiment is realized by showing that the intensity fluctuations present an increase at the localization transition. The system is studied in the steady-state regime when the medium is continuously charged by a laser until reaches a stationary regime, and the decay dynamics, when the laser is switched off, so the cloud releases the energy stored. Finally, we present a preliminary work that shows that the diagonal disorder might be a good strategy to reach Anderson localization.; Dans cette thèse, nous étudions la diffusion cohérente de la lumière se propageant dans un milieu désordonné. Nous nous intéressons à des phénomènes tels que la super- et sousradiance et la localisation d’Anderson qui sont liées aux interférences et au désordre spatial. Cependant, la différence fondamentale entre la sousradiance et la localisation d'Anderson doit encore être clarifiée. Cette thèse donne de nouvelles idées pour la compréhension de ces phénomènes et nous présentons une nouvelle méthode pour observer la localisation d'Anderson. On développe un modèle à champ moyen qui ne contient pas de désordre, et nous montrons que super- et sousradiance ne nécessitent pas de désordre contrairement à la localisation d’Anderson. Dans ce travail théorique, le couplage entre la lumière et les atomes est réduit à une matrice de couplage entre les atomes en calculant la trace sur les degrés de liberté de la lumière, ce qui nous amène à un problème linéaire pour les dipôles atomiques. L'étude des valeurs propres et des modes propres de cette matrice permet de déterminer des modes super- et sousradiant, et de sonder la transition de phase de localisation avec une scaling analysis. De plus, le lien avec l'expérience est fait en montrant que les fluctuations de l’intensité augmentent à travers la transition de localisation. Le système est étudié en régime stationnaire, quand le milieu est continûment chargé par un laser et que celui-ci atteint l’équilibre, et en dynamique, quand le laser est éteint et que le milieu se décharge de l’énergie stockée. Enfin, nous présentons un travail préliminaire qui montre que le désordre diagonal peut être une bonne stratégie pour atteindre la localisation d’Anderson.

The study of the interplay between localization and interactions in disordered quantum systems led to the discovery of the interesting physics of many-body localization (MBL). This remarkable phenomenon provides a generic mechanism for the breaking of ergodicity in quantum isolated systems, and has stimulated several questions such as the possibility of a finite-temperature fluid-insulator transition. At the same time, the domain of ultracold interacting atoms is a rapidly growing field in the physics of disordered quantum systems. In this thesis, we study many-body localization in the context of two-dimensional disordered ultracold bosons. After reviewing some importance concepts, we present a study of the phase diagram of a two-dimensional weakly interacting Bose gas in a random potential at finite temperatures. The system undergoes two finite-temperature transitions: the MBL transition from normal fluid to insulator and the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition from algebraic superfluid to normal fluid. At T=0, we show the existence of a tricritical point where the three phases coexist. We also discuss the influence of the truncation of the energy distribution function at the trap barrier, a generic phenomenon for ultracold atoms. The truncation limits the growth of the localization length with energy and, in contrast to the thermodynamic limit, the insulator phase is present at any temperature. Finally, we conclude by discussing the stability of the insulating phase with respect to highly energetic particles in systems defined on a continuum., Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum.

Cold atoms experiments became considerably more complex in the past years, inparticular those where neutral atoms are coupled to other quantum systems, suchas the field inside a cavity, a nanoresonator or superconducting circuits. Thisrequires introducing various devices next to the atoms, and reduces the opticalaccess available to image and manipulate them. Adding a high-resolution opticalsystem, bulky and close to the atoms, can then raise uneasy questions of spatialconstraints. A multimode fiber is a flexible waveguide with a small transversesize and a relatively high numerical aperture, and constitutes a space-savingoptical system well suited for uses in places difficult to reach. Wavefrontshaping technologies, with in particular the development of liquid crystaldisplays and digital micro-mirror matrices, have made possible to shape a beamand to reconstruct an image through a multimode fiber, creating interestingperspectives for biomedical imaging applications. This thesis proposes a firstexperimental exploration of the opportunities offered by the transfer of thesetechniques to the field of cold atoms manipulation and imaging. We demonstratethe ability to shape a beam through a multimode optical fiber, allowing us tomanipulate atoms with a dipole trap, and slow them down with Doppler cooling. Wecan also detect the atomic cloud through the fiber by absorption or fluorescenceimaging, provided that the transmission matrix is measured beforehand. Using afiber with a diameter of $SI{230}{um}$, we reach a microscopic resolution,limited by diffraction. Many approaches could be explored to improve thesystem's stability and ease the characterization of the multimode fiber,providing an advantageous substitute for a microscope objective., Les expériences de manipulation d'atomes froids se sont considérablementcomplexifiées au cours des dernières années, avec en particulier l'objectif decoupler des atomes neutres à d'autres systèmes quantiques, comme le champ àl'intérieur d'une cavité, un nanorésonateur, ou encore des circuitssupraconducteurs. Cela nécessite d'introduire des dispositifs variés à proximitédes atomes, et a forcément pour conséquence de limiter l'accès optiqueutilisable pour les manipuler et les observer. Il peut être dès lors délicatd'inclure également un système optique de haute résolution, volumineux et situéprès des atomes, pour des questions d'encombrement spatial. Une fibre multimodeest un guide d'onde flexible de faible dimension transverse qui présente unerelativement haute ouverture numérique, et constitue ainsi un système optiquepeu encombrant qui peut être installé à des endroits difficilement accessibles.Les technologies de modulation de front d'onde, avec en particulier ledéveloppement des écrans à cristaux liquides et des matrices de micro-miroirs,ont rendu possibles la reconstruction d'une image et la mise en forme d'unfaisceau à travers une fibre multimode, et des applications en imageriebiomédicale sont activement étudiées. Cette thèse propose une premièreexploration expérimentale des perspectives offertes par le transfert de cestechniques au domaine de l'imagerie et de la manipulation d'atomes froids. Nousdémontrons la capacité de mettre en forme un faisceau à travers une fibreoptique multimode ce qui nous permet de manipuler les atomes par piégeagedipolaire, ou encore de les ralentir par refroidissement Doppler. Il estégalement possible de détecter le nuage atomique par absorption ou parfluorescence à travers la fibre, à condition de mesurer au préalable sa matricede transmission. Avec une fibre de $SI{230}{um}$ de diamètre, nous atteignonsainsi une résolution microscopique, limitée par la diffraction. De trèsnombreuses voies restent à explorer pour améliorer la stabilité du système etfaciliter la caractérisation de la fibre multimode, qui pourrait alors êtreavantageusement substituée à un objectif de microscope.

In this thesis, I present the study of the laser trapping and cooling of a Dysprosium atomic gas. This latter belong to the lanthanide family, it exhibits a large angular momentum in its electronic ground state, making it a suitable candidate for investigating dipolar quantum gases. These systems present a major interest as they can lead to the observation of novel quantum phenomena thanks to the anisotropic and long-range character of the interaction between magnetic dipoles. Moreover, Dysprosium has a rich electronic structure offering the possibility to implement strong light-spin coupling with a reduced heating with respect to alkali species, which paves the way toward the realization of synthetic gauge fields.In this work, I present the experimental investigation of different interaction mechanisms occurring in an ultracold gas of Dysprosium, ranging from light-assisted collisions to dipolar relaxation and evaporative cooling. I expose also the experimental realization of an effective magnetic field, using spin-dependent light-shift, allowing optical control over atomic interactions by means of Feshbach resonances., Dans le cadre de cette thèse, j’ai étudié le refroidissement et le piégeage d’un gaz d’atomes de dysprosium dans des potentiels lumineux. Cet atome lanthanide possède dans son état électronique fondamental un moment magnétique très élevé, permettant l’exploration du domaine des gaz dipolaires ultrafroids. Ce caractère dipolaire enrichit la gamme des phénomènes physiques réalisés expérimentalement, en tirant avantage de la nature anisotrope et à longue-portée de l’interaction entre dipôles magnétiques. De plus, grâce à sa structure électronique riche, le Dysprosium offre la possibilité de créer un fort couplage entre le spin atomique et des champs lumineux, tout en gardant un taux de chauffage faible par rapport au cas usuel des atomes alcalins. Ceci ouvre la voie vers l’implémentation de champs de jauge artificiels, qui suscitent un vif intérêt dans le domaine des atomes froids dans un contexte de simulation quantique. Ce travail de thèse consiste en l’étude des mécanismes d’interactions dans un gaz de Dysprosium ultrafroid, allant des collisions assistées par la lumière à la relaxation dipolaire en passant par le refroidissement par évaporation. J’expose également la réalisation expérimentale d’un champ magnétique effectif en utilisant un déplacement lumineux dépendant du spin, permettant de contrôler optiquement la force des interactions atomiques au moyen d’une résonance de Feshbach.

The work exposed in this manuscript covers two distinct topics. The first is about the response of crystalline dielectrics to an external static electric field; it is based on King-Smith, Vanderbilt and Resta modern theory of polarisation. Restricting ourselves to the 1D case, we first describe the Wannier-Stark ladder of a band model with a low-field perturbative approach. We then use this development to derive the thermodynamical response of the band model. We have to modify the usual thermodynamics to account for the unboundedness of the Wannier-Stark spectrum, through the introduction of a local chemical potentiel which ensures local electric neutrality in the crystal. In a last step, we extend our approch to the 2D cas, where new characteristics related to the topic of topological insulators appear.The second topic tackles synchronization and spin-echo in cold atom gases. We study the competition between the spin-echo mechanism and the self-synchronization mechanism which emerges from the identical spin rotation effet (emph{ISRE}). The spin-echo thechnique was built to compensate for some the of dephasing that appears in trapped ultra-cold gases, leading to an increased coherence time for the ensemble. The emph{ISRE} appears in dense atomic clouds where collisions also lead to an increased coherence time. We show that these two mechanism are not always compatible, in particular, their compatibility is based on the relation between the time scales associated to both phenomena., Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur deux sujets distincts. Le premier concerne la réponse d'un diélectrique cristallin à un champ électrique uniforme ; il s'ancre sur la théorie moderne de la polarisation développée par King-Smith, Vanderbilt et Resta. En nous restreignant d'abord au cas unidimensionnel, nous décrivons de manière perturbative à faible champ électrique le spectre de Wannier-Stark d'un modèle de bande. Nous utilisons ensuite ce développement dans une approche thermodynamique que nous modifions pour palier aux problèmes posés par le caractère non-borné du spectre de Wannier-Stark : nous introduisons en particulier un potentiel chimique local assurant la neutralité électrique locale au sein du cristal. Cette approche permet d'accéder à la polarisation et à la susceptibilité électrique des cristaux diélectriques. Finalement, nous étendons le travail effectué au cas bidimensionnel où de nouvelles caractéristiques associé aux isolants topologiques apparaissent.Le deuxième sujet porte sur la synchronisation de spin dans les gaz d'atomes froids. Nous étudions la compétition entre le mécanisme d'écho de spin et le phénomène d'auto-synchronisation lié à l'effet de rotation des spins identiques (emph{ISRE}). La méthode de l'écho de spin permet de compenser certains déphasage apparaissant dans une gaz d'atomes ultra-froid piégé, et accroît ainsi le temps de cohérence de l'ensemble. L'emph{ISRE} apparaît dans les gaz denses via les collisions entre atomes et conduit également à un accroissement du temps de cohérence. Nous montrons que ces deux mécanismes ne sont pas systématiquement compatibles. En particulier, leur compatibilité est lié à la relation entre les échelles de temps propres à chacun des phénomènes.

This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it., Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant.

We study the long-range force arising from the absorption of non-saturating laser beams in a two-dimensional cloud of cold atoms. The force created by the lasers is at- tractive and similar to the usual Newtonian gravity along the beam. The cloud is composed of bosonic strontium 88 cooled and trapped on the intercombination line. Transferring the atoms in a two-dimensional optical dipole trap in a magical wavelength configuration, a canonical non-equilibrium phase transition is expected. Below a critical temperature, self- gravitating particles in two dimensions can collapse, nearly by the same mechanism stars are forming. We observed experimentally transient compressions, a halfway satisfactory result originating from the power limitation of our dipole trap. The second part of the thesis focuses on the theoretical realization a minimal Brownian motor within a system of trapped particles in 2D, similarly to our experimental situation. The phenomenon char- acterizing the Brownian motor is the appearance of a macroscopic current of particles. We have shown that this direct transport of particles is independent of the details of the trapping potential and obtained if and only if two symmetries are jointly broken: By the presence of two heat baths along orthogonal directions together and an anisotropic trap misaligned from the temperature axes., Nous avons étudié les effets de la force longue portée résultante de l’absorption de faisceaux lasers dans un nuage d’atomes froids à deux dimensions. La force créée est attractive et reproduit la gravité Newtonienne le long du faisceau. Le nuage d’atomes, composé de strontium 88 (bosons), est refroidi et piégé sur la transition d’intercombinaison. En transférant les atomes dans un piège dipolaire à deux dimensions à la longueur d’onde magique, une transition de phase hors d’équilibre se produit dans l’ensemble canonique. En dessous d’une température critique, un système de particules autogravitantes peut collapser, phénomène rappelant le processus de formation des étoiles. Nous avons observé expérimentalement, des régimes de compressions transitoires, un résultat en partie satisfaisant qui pourrait être amélioré avec l’utilisation de pièges dipolaires plus puissants. La seconde partie de la thèse se penche sur la réalisation théorique d’un moteur Brownien à partir d’un système de particules piégées à deux dimensions, une situation similaire à notre expérience de collapse à deux dimensions. L’obtention d’un moteur Brownien est caractérisée par l’apparition d’un courant macroscopique de particules. Nous avons montré que ce transport est indépendant des détails du piège et dépend seulement d’une double brisure de symétrie : Résultant de la présence de deux bains thermiques suivant deux axes orthogonaux et d’un piège anisotrope désaligné des axes thermiques.

Interacting many-body quantum systems are at the heart of contemporary research in quantum physics. The understanding of such systems is crucial to the development of condensed-matter physics. Many research efforts aim at building a "quantum simulator": a platform which allows to model a hard-to-access quantum system with a more controllable one. Ensembles of Rydberg atoms, thanks to their strong dipolar interactions, make for an excellent system to study many-body quantum physics. We present here a study of the excitation of a dense cloud of interacting Rydberg atoms. This study was conducted on an experimental setup mixing on-chip cold atoms techniques with Rydberg atoms manipulation techniques. The result of this study leads us to make a full-fledged proposal for the realisation of a quantum simulator, based on trapped circular Rydberg atoms. The proposed simulator is particularly promising due to its flexibility and to the long simulation times for which it would allow. We conclude this manuscript with a detailed description of the first experimental step towards building such a simulator: the on-chip excitation of circular Rydberg atoms., Les systèmes quantiques à N corps en interaction sont au cœur des problèmes actuels de la recherche en physique quantique. La compréhension de tels systèmes est un enjeu crucial pour le développement des connaissances en physique de la matière condensée. De nombreux efforts de recherche visent à la construction d'un « simulateur quantique » : une plateforme permettant de modéliser, grâce à un système quantique bien contrôlé, un système quantique dont l'accès expérimental est difficile. Les fortes interactions dipolaires entre atomes de Rydberg représentent un objet d'étude choix pour ce type de problème. Nous présentons dans le présent manuscrit une étude des conditions d'excitation d'un nuage dense d'atomes de Rydberg en interaction, permise par le dispositif expérimental dont nous disposons, qui mêle les techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes sur puce avec les techniques de manipulation des niveaux de Rydberg. Les résultats de cette étude nous permettent de formuler une proposition expérimentale complète de développement d'un simulateur quantique fondé sur le piégeage d'atomes de Rydberg circulaires. Le simulateur que nous proposons est très prometteur, grâce à sa flexibilité et aux longs temps de simulation qu’il permettrait. Nous terminons ce manuscrit par la description détaillée de la première étape sur le chemin vers ce simulateur : l'excitation d’atomes de Rydberg circulaires sur puce.

This thesis is about the design and realisation of a new atomic interferometer experiment at SYRTE. It will allow ultra-sensitive measurements of the vertical gradient of gravity. This experiment will work using ultra-cold atoms as a source, prepared on an atom chip. It will use large momentum transfer beam-splitter, obtained by high order Bragg diffraction. The transport of atoms will be provided by moving optical lattices. A first part of the experimental setup was assembled and its operation was validated by producing a dual interferometer. This interferometer is performed on two atomic clouds produced successively from the same source of cold atoms, and interrogated by the same pair of Raman beams. A new method of differential phase extraction has been experimentally demonstrated. It is based on the exploitation of the correlations between the interferometer phase measurements and the estimation of the seismic phase provided by an additional classical sensor., Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’une nouvelle expérience d’interféromètre atomique au SYRTE. Elle permettra de réaliser des mesures ultrasensibles du gradient vertical de gravité. Cette expérience fonctionnera à terme en utilisant comme source des atomes ultra-froids, préparés sur une puce à atomes. Elle utilisera comme séparatrices des transitions multiphotoniques, obtenues par diffraction de Bragg d’ordre élevé. Le transport des atomes sera assuré par des réseaux optiques en mouvement. Une première partie du dispositif expérimental a été assemblée et son fonctionnement a été validé en réalisant un interféromètre dual. Cet interféromètre est réalisé sur deux ensembles d’atomes produits successivement à partir de la même source d’atomes froids, et interrogés par une même paire de faisceaux Raman. Une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle a été démontrée expérimentalement. Elle repose sur l’exploitation des corrélations entre les mesures de phase des interféromètres et une estimation de la phase sismique fournie par la mesure annexe d’un capteur classique.

This thesis is at the boundary of the fundamental physics with the test of the weak equivalence principle (WEP) and the transfer of the technologies developed to industrial applications such inertial navigation. We began collaboration in a joint laboratory (iXAtom) with the iXBlue company where we worked on the hybridization of an inertial unit with a cold atom accelerometer.In order to test the WEP, we use a dual-species atom interferometer (87Rb and 39K). This experiment works in the laboratory but it is designed to perform onboard the Novespace ZERO-G plane. This specificity puts constraints on the design of the setup because it needs to be robust, compact and transportable. Our laser system is a good example because it is based on Telecom technologies (1560 and 1534 nm) frequency doubled. We realized the first test of the weak equivalence principle on microgravity with cold atoms in 2015, which is a major step toward a future spatial mission.The 39K is an atomic species hard to cool and manipulate because of its narrow hyperfine structure. We implemented an other cooling method, the gray molasses, by using a laser resonant to the potassium D1 transition. We built a new sequence to prepare the atoms in the mF= 0 state. This sequence is effective at 95%. These techniques improved the contrast of our interference fringes by a factor 4 which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5.2x10-8 after 11500 s of integration.; Ces travaux de thèse s'inscrivent à la frontière entre l'utilisation de l'interférométrie atomique pour tester un principe fondamental de physique, le principe d'équivalence faible, et le transfert des technologies développées dans ce but vers des applications industrielles, en particulier la navigation inertielle, à travers une collaboration avec l'entreprise iXBlue au sein d'un laboratoire commun (iXAtom) où nous avons travaillé à l'hybridation d'une centrale inertielle avec un accéléromètre atomique afin de corriger la dérive temporelle de la centrale.Afin de tester le prince d'équivalence faible, nous utilisons un interféromètre atomique double espèce (87Rb et 39K). Cette expérience est réalisée en laboratoire mais également en micropesanteur à bord de l'avion ZERO-G de Novespace. Cette particularité pose des contraintes sur les choix technologiques puisque le montage doit être robuste, compact et transportable. Notre système laser en est un bon exemple puisqu'il est basé des technologies télécom (1560 et 1534 nm) doublées en fréquence. Nous avons réalisé le premier test du principe d'équivalence en micropesanteur avec des atomes froids en 2015, ce qui représente une étape majeure vers la réalisation d'un instrument embarquable à bord d'un satellite.Le 39K est une espèce difficile à refroidir et à manipuler à cause de sa structure hyperfine étroite. Nous avons mis en place un refroidissement par mélasse grise pour cette espèce en ajoutant un laser résonnant avec la transition D1 du potassium. Nous avons également mis en place une préparation des atomes dans l'état non magnétique mF=0 efficace à 95%. Ces techniques ont amélioré le contraste de nos franges d'interférences d'un facteur 4 et nous a permis d'obtenir une sensibilité sur le paramètre d’Eötvös en laboratoire de 5.2x10-8 après 11500 s d'intégration.

Sagnac atomic gyroscopes have great potential due to their high sensitivity to rotation. The SYRTE atomic gyroscope uses laser cooled cesium atoms. Thank to stimulated Raman transitions, we form a folded Mach-Zehnder type interferometer. The instrument allows interrogation times up to 800~ms, which corresponds to a 11cm² Sagnac area, the largest demonstrated for atom interferometers. This is a major step toward the use of such instruments in inertial navigation. I describe the methods implemented to push the short-term sensitivity and performed the first detailed study of systematics, such as those linked to light-shifts due to the preparation and the detection of the atoms and those linked to misalignment of parallelism of the mirrors and of the trajectories of the atoms. I demonstrated a short-term stability of 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} in triple interleaved joint interrogation which improves the state of the art by a factor 3. The state of the art has also been improved by a factor 5 in long-term with a 0,2nrad.s⁻¹ stability in 30 000s., Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.

The coupling of cold atoms to 1D nanoscale waveguides have opened new avenues of research. The waveguide in our case is a nanofiber, which confines light transversally to a subwavelength scale. The guided light exhibits a strong evanescent field allowing enhanced atom-photon interaction in the vicinity of nanofiber. In our experiment, a cold atomic cloud is first interfaced with an optical nanofiber. By using an optical lattice in the evanescent field, the atoms are then trapped in 1D atomic arrays close to the nanofiber. In this platform, we reach high optical depth OD ~ 100 and long lifetimes ~ 25 ms by using a dual-color compensated trapping scheme that preserves the internal properties of atoms. In this thesis, we explore collective effects emerging from the spatial ordering of atoms. When the period of the lattice is made close to commensurate with the resonant wavelength, Bragg reflection, as high as 75%, is observed. The reflection shows dependency on orientation of the probe polarization relative to the atomic arrays - a chiral signature in nanoscale waveguide-QED systems. The ability to control photon transport in 1D waveguides coupled to spin systems would enable novel quantum networking capabilities and the study of many-body effects arising from long-range interactions., Le couplage de guides d'ondes nanoscopiques et d'atomes froids a récemment ouvert de nouvelles voies de recherche. Le guide d'onde dans notre cas est une nanofibre qui confine la lumière transversalement à une échelle inférieure à la longueur d'onde. La lumière guidée présente un fort champ évanescent permettant une interaction atome-photon exaltée au voisinage de la nanofibre. Dans notre expérience, un nuage atomique froid est d'abord superposé à une nanofibre optique. Puis, en utilisant un piège dipolaire via le champ évanescent de la nanofibre, les atomes froids sont piégés à proximité de sa surface. Avec cette plateforme, nous avons obtenu des épaisseurs optiques élevées OD ~ 100 et de longues durées de vie ~ 25 ms en utilisant un schéma de piégeage qui préserve les propriétés internes des atomes. Une direction intéressante est alors d'explorer les effets collectifs résultant de l'ordre spatial des atomes. Lorsque la période du réseau est proche de la longueur d'onde de résonance, une réflexion de Bragg aussi élevée que 75% est observée. Cette réflexion dépend de la polarisation de la sonde par rapport aux réseaux atomiques - une signature de la chiralité dans les systèmes à guide d'ondes nanoscopiques. La possibilité de contrôler le transport de photons dans les guides d'ondes couplés à des systèmes de spin permettrait de nouvelles fonctionnalités pour les réseaux quantiques et l'étude d'effets collectifs résultant d'interactions à longue distance.

This thesis presents the development of a high-accuracy optical frequency standard based on neutral mercury 199Hg atoms trapped in an optical lattice.I will present the experimental setup and the improvements that were made during this thesis, which have allowed us to perform spectroscopy on the doubly forbidden 1S0 - 3P0 mercury clock transition with Hz level resolution. With such a resolution, we have been able to conduct an in-depth study of the physical effects affecting the clock transition. This study represents a factor 60 in accuracy on the knowledge of the clock transitions frequency, pushing the accuracy below the current realization of the si second by the best cesium atomic fountains. Finally, i will present the results of several comparison campaigns between the mercury clock and other state-of-the-art frequency standards, both in the optical and in the microwave domain., L’objet de cette thèse est le développement d’un standard de fréquence optique base sur l’atome de mercure 199Hg piégé dans un réseau optique. Je présenterai le dispositif expérimental et les améliorations apportées au cours de la thèse qui ont permis d’effectuer la spectroscopie de la transition doublement interdite 1S0 – 3P0 du mercure dans le domaine ultraviolet avec une résolution de l’ordre du Hz. Une telle résolution nous a permis de mener une étude approfondie des effets physiques affectant la fréquence de la transition d’horloge. Cette étude a permis un gain d’un facteur 60 sur la connaissance de la fréquence de la transition d’horloge, et de pousser l’incertitude au-delà de la réalisation de la seconde si par les étalons de fréquence basés sur le césium. Enfin je présenterai les résultats de plusieurs campagnes de comparaison entre notre étalon au mercure et d’autres horloges de très haute précision fonctionnant dans le domaine optique ainsi que dans le domaine micro-onde.

Understanding the effect of interactions in quantum many-body systems presents some of the most compelling challenges in modern physics. Ultracold atoms have emerged as a versatile platform to engineer and investigate these strongly correlated systems. In this thesis, we study the properties of a mixture of Bose and Fermi superfluids with tunable interactions produced using ultracold vapors of ⁷Li and ⁶Li. We first study the hydrodynamic properties of the mixture by creating a counterflow between the superfluids. The relative motion only exhibit dissipation above a critical velocity that we measure in the BEC-BCS crossover. A numerical simulation of counterflowing condensates allows for a better understanding of the underlying mechanisms at play in the dynamics. In particular, this numerical study provides additional evidence that the onset of friction in our experiment is due to the simultaneous generation of elementary excitations in both superfluids. Finally, we consider the inelastic losses that occur via three-body recombination in our cold gases. This few-body process is intimately related to short-distance correlations and is thereby connected to the universal properties of the many-body system. This manifests as the apparition of an unusual dependence on density or temperature in the loss rate when increasing the interactions. We demonstrate this effect in two examples where interactions are resonant: the case of a dilute unitary Bose gas and the one of impurities weakly coupled to a unitary Fermi gas. More generally, our work shows that inelastic losses can be used to probe quantum correlations in a many-body system., La compréhension des effets des interactions dans un ensemble de particules quantiques représente un enjeu majeur de la physique moderne. Les atomes ultra-froids sont rapidement devenus un outil incomparable pour étudier ces systèmes quantiques fortement corrélés. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs travaux portant sur les propriétés d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi créé à l’aide de vapeurs ultra-froides de ⁷Li et de ⁶Li. Nous étudions tout d'abord les propriétés hydrodynamiques du mélange en créant un contre-courant entre les superfluides. L'écoulement est dissipatif uniquement au dessus d'une vitesse critique que nous mesurons dans le crossover BEC-BCS. Une simulation numérique d’un contre-courant de deux condensats permet de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents mis en jeu dans la dynamique. En particulier, l'étude numérique fournit des preuves supplémentaires que l'origine de la dissipation dans nos expériences est liée à l'émission d'excitation élémentaires dans chaque superfluide. Finalement, nous nous intéressons aux pertes inélastiques par recombinaison à trois corps qui peuvent limiter la stabilité de nos nuages. Ces pertes sont intimement liées aux corrélations à courte distance présentes dans le système et sont ainsi connectées aux propriétés universelles du gaz quantique. Cela se manifeste notamment par l’apparition de dépendances en densité ou en température inusuelles du taux de perte lorsque le système devient fortement corrélé. Nous démontrons cet effet dans deux exemples où les interactions sont résonantes, le cas du gaz de Bose unitaire et celui de notre mélange de superfluides Bose-Fermi. Plus généralement, nos travaux montrent que ces pertes inélastiques peuvent être utilisées pour sonder les corrélations quantiques dans un système en fortes interactions.

This thesis describes the latest progresses regarding the Sr optical lattice clocks at LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. Nowadays, the systematic uncertainty and stability of optical clocks are 2 orders of magnitude better than cesium microwave fountains currently realizing the SI second, with applications in fundamental physics, astronomy and geoscience. In the near future, a re-definition of the SI second is expected, once optical clocks are proven to be as reliable and reproducible as their microwave counterparts. The thesis presents three decisive steps in this direction. First, we demonstrate nearly continuous Sr clocks over several weeks. Second, local and remote frequency comparisons against various microwave and optical frequency standards show that OLCs are reproducible over time, and by independent laboratories. We notably demonstrated the first all-optical agreement between optical clocks at continental scale. Third, the Sr clocks were used to calibrate the Temps Atomique International (TAI). The five calibration reports, which we produced, were validated by the BIPM, as the first contribution to TAI with optical clocks. In addition, some of these results were used to improve bounds on a putative violation of the Lorentz invariance by testing the stability of the frequency ratio between remote clocks. Finally, we conducted a full characterization of the frequency shifts associated with semi-conductor laser sources for the trapping light, including optical measurements and frequency shifts measurements, with applications for transportable and space clocks., Cette thèse est consacrée aux progrées récents des horloges à réseau optique au strontium du LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. L'incertitude systématique et la stabilité des horloges optiques sont 2 ordres de grandeur meilleures que les horloges atomiques micro-ondes au cesium qui réalisent la seconde SI, bénéficiant maintenent a des applications en physique fondamentale, astronomie et géosciences. Dans un futur proche, une redéfinition de la seconde SI est attendue, quand les horloges optiques se seront révélées aussi fiables et reproductibles que les horloges a micro-ondes. La thèse présente trois étapes décisives dans cette direction. Nous présentons un fonctionnemment operation quasi-continu de nos horloges Sr pendant plusieurs semaines. Des comparaisons de fréquences locales et à distance avec diverses références de fréquence micro-ondes et optiques montrent que les horloges optiques sont reproductibles par des laboratoires independants. Nous avons démontré un premier réseau tout optique entre des horloges optiques à l'échelle continentale. Les horloges au Sr ont été utilisées pour préparer 5 rapports de calibration du Temps Atomique International (TAI) qui ont été validés par le BIPM comme première contribution au TAI par des horloges optiques. Certains de ces résultats ont été utilisés pour borner l’amplitude d’une possible violation de l'invariance de Lorentz analysant les comparaisons d’horloges distantes. Enfin, nous avons effectué une caractérisation complète des déplacements de fréquence associés aux sources laser à semiconducteur utilisées pour le piégeage des atomes dans l’optique d’applications pour des horloges transportables et spatiales.

During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast of our 39K interferometer by a factor 4, which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5 x 10-8 after 5000 s of integration.; Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration.

published version in English (13 pages) and in French (14 pages); International audience; It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated in its evolution and the particle number $N$ is fixed. The loss of phase memory is due to interactions of the condensate with the excited modes that constitute a dephasing environment. This fundamental effect, crucial for applications using the condensate of pairs' macroscopic coherence, was scarcely studied. We link the coherence time to the condensate phase dynamics, and we show with a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator $\hat{\theta}_0$ is proportional to a chemical potential operator that we construct including both the pair-breaking and pair-motion excitation branches. In a single realization of energy $E$, $\hat{\theta}_0$ evolves at long times as $-2\mu_{\rm mc}(E)t/\hbar$ where $\mu_{\rm mc}(E)$ is the microcanonical chemical potential; energy fluctuations from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristic time $\propto N^{1/2}$. In the absence of energy fluctuations, the coherence time scales as $N$ due to the diffusive motion of $\hat{\theta}_0$. We propose a method to measure the coherence time with ultracold atoms, which we predict to be tens of milliseconds for the canonical ensemble unitary Fermi gas.; On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules $N$ est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée de l'opérateur phase du condensat $\hat{\theta}_0$ par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie $E$, $\hat{\theta}_0$ évolue aux temps longs comme $-2\mu_{\rm mc}(E)t/\hbar$ où $\mu_{\rm mc}(E)$ est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique $\propto N^{1/2}$. En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en $N$ à cause du mouvement diffusif de $\hat{\theta}_0$. Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.

Brevet délivré le 17-01-2020; L'invention concerne un système d'interféromètre atomique comprenant une source d'atomes générant une bouffée d'atomes froids (60), une source laser générant une séquence d'impulsions lumineuses (14) et un système de détection configuré pour mesurer un déphasage interférométrique de ladite bouffée d'atomes froids (60). Selon l'invention, le système comporte une cavité optique résonante (100) comprenant un système optique intra-cavité (20, 21, 22), la cavité optique résonante (100) recevant une impulsion lumineuse de ladite séquence et générant un mode transverse de résonance ayant une première taille (w1) dans une première partie (81) de la cavité (100, 101), et, le système optique intra-cavité (20, 21, 22) étant configuré pour agrandir ledit mode transverse de résonance à une deuxième taille (w2) dans une deuxième partie (82) de la cavité optique résonante (100) et ladite bouffée d'atomes froids (60) étant superposée spatialement et temporellement avec ledit mode transverse de résonance dans la deuxième partie (82) de la cavité optique résonante (100).

This brief review presents the emerging field of mesoscopic physics with cold atoms, with an emphasis on thermal and 'thermoelectric' transport, i.e. coupled transport of particle and entropy. We review in particular the comparison between theoretically predited and experimentally observed thermoelectric effects in such systems. We also show how combining well designed transport properties and evaporative cooling leads to an equivalent of the Peltier effect with cold atoms, which can be used as a new cooling procedure with improved cooling power and efficiency compared to the evaporative cooling currently used in atomic gases. This could lead to a new generation of experiments probing strong correlation effects of ultracold fermionic atoms at low temperatures., 33 pages, 9 figures, Review. To be published in the special issue "Mesoscopic Thermoelectric Phenomena" of C. R. Physique 17 (2016)

During my PhD, I contributed to the design and construction of the Fermix experiment, dedicated to the study of a 6Li-40K fermionic mixture at ultra low temperatures. Our main results are twofold. First, we developed a new sub-Doppler laser cooling scheme, taking advantage of the existence of dark states in the D1 line of alkali atoms. This so-called \emph{grey molasses} allows for a phase space density up to 10⁻⁴, the highest value reported for the simultaneous laser cooling of those two species. The improvement due to this cooling step enabled the production of a quantum degenerate 40K gas in a dipole trap, with 3x10⁵ atoms in two spin states at 62 nK, corresponding to 17% of the Fermi temperature. Second, introducing a canonical mapping, we showed that non-interacting ultra-relativistic particles (Weyl fermions) in a harmonic trap can be simulated by cold fermions confined in a quadrupole potential. We study experimentally, numerically and theoretically the relaxation of these systems towards a steady state which can not be described by a Boltzman distribution, but rather presents strongly anisotropic effective temperatures. This analogy also allows us to translate fundamental properties of relativistic particles in the language of cold atoms. In particular, we demonstrate that the Klein paradox is equivalent to Majorana losses. Finally, we present a theoretical study of the long range interactions between particles confined in two 2D layers immersed in a 3D atomic cloud., Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à la construction de l'expérience Fermix, consacrée à l'étude d'un mélange de fermions (6Li-40K) à très basses températures où les effets quantiques sont prédominants. Nous présentons ici deux résultats principaux. Premièrement, nous avons développé une nouvelle méthode de refroidissement sub-Doppler qui tire parti de l'existence d'états noirs dans la raie optique D1. Cette mélasse grise permet d'atteindre une densité de l'espace des phases de 10⁻⁴, la valeur la plus élevée rapportée dans la littérature pour le refroidissement laser simultané des deux espèces. Grâce à cette étape, nous avons pu réaliser un gaz fortement dégénéré de 3x10⁵ atomes de 40K, répartis dans deux états de spins, à une température de 62 nK, soit 17% de la température de Fermi. D'autre part, nous introduisons une transformation canonique pour montrer l'équivalence formelle entre le comportement de particules ultra-relativistes sans interactions (particules de Weyl) dans un potentiel harmonique et celui de fermions froids confinés dans un piège quadrupolaire. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la relaxation de tels systèmes vers un état stationnaire, non-Botlzmanien, caractérisé par des températures effectives fortement anisotropes. Cette analogie permet également d'interpréter des propriétés caractéristiques des particules relativistes. Ainsi, nous montrons que le paradoxe de Klein est analogue aux pertes Majorana. Pour finir, nous proposons une étude théorique des interactions médiées à longue distance par un système en dimensions mixtes.

The HORACE project consists in the development of a high-performance compact atomic clock based on isotropic laser cooling of 133Cs atoms, targeting the needs for on-board clocks. In order to minimize the clock size, the entire clock sequence is performed inside one interaction zone only, including atomic cooling, preparation, interrogation and detection. This is made possible with a microwave interrogation cavity that is both resonant at the clock transition frequency, and used as an integrating sphere for the cooling light as well. This thesis work is mainly dedicated to the experimental study of the atomic cooling in the 3D speckle field generated inside the cavity. By limiting the cooling sequence to a capture phase, about 3x108 atoms can be cooled to kinetic temperatures lower than 60 microkelvins. Besides, we show that an inhomogeneous optical energy repartition in the cavity leads us to perform the sub-Doppler cooling phase in 2 steps. Despite random polarization change from one speckle grain to another, the atomic cooling dynamics observed in the sub-Doppler regime is similar to the one observed in conventional optical lattices. The last part of this thesis is devoted to the metrological aspect where the entire clock sequence is demonstrated for the first time at the same place. The fractional frequency stability of 2x10-13-1/2 should be reached on Earth., Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge.

We consider a two-component ideal Fermi gas in an isotropic harmonic potential. Some eigenstates have a wavefunction that vanishes when two distinguishable fermions are at the same location, and would be unaffected by s-wave contact interactions between the two components. We determine the other, interaction-sensitive eigenstates, using a Faddeev ansatz. This problem is nontrivial, due to degeneracies and to the existence of unphysical Faddeev solutions. As an application we present a new conjecture for the fourth-order cluster or virial coefficient of the unitary Fermi gas, in good agreement with the numerical results of Blume and coworkers., Comment: 32 pages, augmented version: with respect to published version, paragraph added at the end of section 5.3 and figure 3 added (comparison of our conjecture for the fourth cluster coefficient of the unitary Fermi gas to the Monte Carlo diagrammatic results of K. van Houcke et al, Nature Physics 8, 366 (2012))

The study of quantum entanglement is a very active research field. Cavity quantum electrodynamics systems are versatile tools allowing for instance entanglement in mesoscopic systems, that is to say with about a hundred particles. The purpose of the new experimental setup built during this thesis is to reach the single atom manipulation and detection level while working with mesoscopic ensembles, collectively coupled to the cavity mode. Toward this goal, three new experimental techniques have been developed to enable reliable and fast data acquisition rate, essential to reconstruct entangled states by quantum tomography means. First, robust extended cavity diode lasers have been constructed, allowing acquisitions that last for days. Then, a pulsed atomic source has been set up, it combines the advantages of fast magneto-optical trap loading and long lifetime in conservative traps by modulating the pressure inside a single vacuum chamber apparatus on a short timescale. Finally, to ensure the fast transport of cold atomic ensembles from the magneto-optical trap to the cavity position, a dipole trap moved with an acousto-optic deflector has been built. This allows a transport over few centimetres leaving the full optical access to the atomic cloud for other manipulations. Thanks to this new experimental setup, we hope to contribute to the understanding of the rich physics lying beyond multi-particle entangled systems., L’exploration expérimentale de l’intrication quantique est un domaine de recherche très actif actuellement. Les systèmes d’électrodynamique quantique en cavité permettent notamment de générer de l’intrication dans des ensembles de plusieurs dizaines de particules, grâce à l’interaction à longue portée fournie par un mode du champ électromagnétique. Mon travail de thèse a consisté à mettre en place un nouveau dispositif expérimental afin d’assurer le chargement rapide et fiable d’une cavité optique miniaturisée à l’intérieur de laquelle l’adressage et la détection d’atomes uniques viennent s’ajouter à l’interaction collective fournie par le mode de la cavité. La tomographie quantique des états intriqués requière l’acquisition d’un grand nombre de données expérimentales, un soin tout particulier doit donc être porté quand à la stabilité et à la rapidité de répétition de l’expérience. Pour satisfaire à ces critères, un système de lasers particulièrement compacts et robustes, a été conçu et fabriqué afin d’assurer le refroidissement et l’interaction avec les atomes. Pour permettre la rapidité de répétition de l’expérience, une source de rubidium est utilisée en mode impulsionnel dans l’unique cellule à vide. Elle permet de moduler temporellement la pression atomique en fonction des besoins de l’expérience. Un chargement prompt du piège magnéto-optique est alors possible sans réduire la durée de vie des atomes dans la cavité, au moment où se déroulent les expériences. Le transport des atomes entre leur position de capture et le centre de la cavité s’effectue grâce à un piège dipolaire, déplacé selon son axe fort de confinement à l’aide d’un déflecteur acousto-optique. Cela permet un déplacement rapide, de l’ordre de la centaine de millisecondes pour une distance de 1,5 cm. Grâce à cette combinaison de techniques, ce nouveau dispositif expérimental devrait donner accès à la physique riche des systèmes intriqués à plusieurs dizaines de particules.

Ultracold atoms are unique tools to probe the physics of quantum matter. Indeed, the high degree of tunability of ultracold Bose and Fermi gases makes them ideal systems for quantum simulation and for exploring macroscopic manifestations of quantum effects, such as superfluidity. In this work, we have realized the first Bose-Fermi superfluid mixture, with ultracold gases of 6Li and 7Li. The properties of the mixture are investigated by initiating a Bose-Fermi counterflow through their dipole modes. The superfluid critical velocity is measured in the BEC-BCS crossover, and is found close to the sound velocity of the Fermi gas near unitarity. We compare our findings to recent theoretical predictions. Raising the temperature of the mixture, we observe an unexpected synchronization of the motion of the two clouds, interpreted with a Zeno-like model induced by dissipation. Finally, this Bose-Fermi mixture offers the unique possibility to create a homogeneoustrap for the Fermi gas. By a fine tuning of the interactions, we propose to use the Bose-Fermi repulsion to compensate the curvature of the harmonic trap for fermions. For a spin-polarized Fermi gas in such a trap, we theoretically predict the existence of a superfluid with a shell structure and we provide first experimental evidence for this topologically new superfluid., Les atomes froids sont des outils uniques pour sonder la physique de la matière quantique. Hautement contrôlables, les gaz de Bose et de Fermi ultrafroids sont des systèmes idéaux pour la simulation quantique et pour explorer des manifestations spectaculaires des effets quantiques, comme la superfluidité. Avec des gaz froids de 6Li et de 7Li, nous avons produit le premier mélange de superfluides bosonique-fermionique, et étudié ses propriétés en initiant un contre-flot entre les nuages de Bose et de Fermi (mode dipolaire). La vitesse critique de superfluidité a été mesurée dans le crossover BEC-BCS et elle est trouvée proche de la vitesse du son dans le gaz de Fermi. Nous comparons nos mesures avec des prédictions théoriques récentes. En élevant la température du mélange, nous avons aussi observé une synchronisation inattendue entre les mouvements des deux nuages, interprétée comme un effet Zénon induit par la dissipation. Finalement, ce mélange de bosons et de fermions offre la possibilité unique de créer un piège homogène pour le gaz de Fermi. En ajustant finement les interactions, nous proposons d’utiliser la répulsion entre les bosons et les fermions pour compenser la courbure du piège harmonique pour les fermions. Pour des fermions présentant une polarisation de spin, nous prédisons théoriquement l’existence d’un superfluide avec une structure en “coquille” et fournissons les premières indications expérimentales de l’observation de ce superfluide topologiquement original.