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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.

We propose a new paradigm for quantum simulation of spin-1/2 arrays, providing unprecedented flexibility and allowing one to explore domains that remain unexplored, based on laser-trapped circular Rydberg atoms. The long intrinsic atomic lifetimes, combined with the inhibition of their microwave spontaneous emission and their negligible photoionisation, make operation in the minute range realistic. The proposed simulator realizes an XXZ spin-1/2 Hamiltonian, with nearest-neighbour couplings ranging from a few to tens of kilohertz. All the model parameters can be dynamically tuned at will, making a large range of simulations accessible. Thus, the system evolution can be followed long enough to be relevant for ground-state adiabatic preparation and for the study of thermalization and disorder. In this thesis, as a first step towards the implementation of this quantum simulation scheme, we (i) demonstrate the preparation of cold circular Rydberg states in a 4.2 K cryogenic environment with optical access out of a cold atom cloud. Their lifetime reveals an effective microwave black-body temperature of 11±2 K. We (ii) assess the single qubit coherence time (268±5 μs) and lifetime (3.7±1 ms), and, finally, we (iii) demonstrate the laser trapping of circular Rydberg atoms to prove their negligible photoionisation at the timescale of 10 ms.; Nous proposons un nouveau paradigme pour la simulation quantique de chaines de spin-1/2, basés sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser. Leur longue durée de vie intrinsèque, combinée à l’inhibition de leur émission spontanée micro-onde et leur photoionisation négligeable rendent réalistes des temps de simulation à l’échelle de la minute. Cette nouvelle plateforme offre une grande flexibilité et permettra d’explorer de nouveaux regimes de simulation. Le simulateur proposé modélise un Hamiltonien XXZ à spin 1/2, les couplages entre plus proches voisins pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de kilohertz. Tous les paramètres du modèle peuvent être réglés dynamiquement à volonté, ce qui permet d’accéder à un large éventail de systèmes simulés. Ainsi, l’évolution du système peut être suivie sur des temps suffisamment long pour permettre la préparation adiabatique depuis l’état fondamental ainsi que l’étude de la thermalisation et du désordre. Cette thèse est un premier pas vers la mise en œuvre de ce schéma de simulation quantique. (i) Nous démontrons la préparation d’états de Rydberg circulaires à partir d’atomes refroidis par laser dans un environnement cryogénique 4.2 K avec accès optiques. Leur durée de vie révèle une température effective du corps noir micro-ondes de 11±2 K. (ii) Nous évaluons le temps de cohérence pour un seul qubit (268±5 μs), et la durée de vie (3.7±0.1 ms). (iii) Enfin nous démontrons le piégeage par laser d’atomes de Rydberg circulaires prouvant leur photoionisation négligeable sur de nombreux temps de vie à l'échèle de 10 ms.

We propose a new paradigm for quantum simulation of spin-1/2 arrays, providing unprecedented flexibility and allowing one to explore domains that remain unexplored, based on laser-trapped circular Rydberg atoms. The long intrinsic atomic lifetimes, combined with the inhibition of their microwave spontaneous emission and their negligible photoionisation, make operation in the minute range realistic. The proposed simulator realizes an XXZ spin-1/2 Hamiltonian, with nearest-neighbour couplings ranging from a few to tens of kilohertz. All the model parameters can be dynamically tuned at will, making a large range of simulations accessible. Thus, the system evolution can be followed long enough to be relevant for ground-state adiabatic preparation and for the study of thermalization and disorder. In this thesis, as a first step towards the implementation of this quantum simulation scheme, we (i) demonstrate the preparation of cold circular Rydberg states in a 4,2 K cryogenic environment with optical access out of a cold atom cloud. Their lifetime reveals an effective microwave black-body temperature of 11±2 K. We (ii) assess the single qubit coherence time (268±5 μs) and lifetime (3,7±0,1 ms), and, finally, we (iii) demonstrate the laser trapping of circular Rydberg atoms to prove their negligible photoionisation at the timescale of 10 ms.; Nous proposons un nouveau paradigme pour la simulation quantique de chaines de spin-1/2, basés sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser. Leur longue durée de vie intrinsèque, combinée à l’inhibition de leur émission spontanée micro-onde et leur photoionisation négligeable rendent réalistes des temps de simulation à l’échelle de la minute. Cette nouvelle plateforme offre une grande flexibilité et permettra d’explorer de nouveaux regimes de simulation. Le simulateur proposé modélise un Hamiltonien XXZ à spin 1/2, les couplages entre plus proches voisins pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de kilohertz. Tous les paramètres du modèle peuvent être réglés dynamiquement à volonté, ce qui permet d’accéder à un large éventail de systèmes simulés. Ainsi, l’évolution du système peut être suivie sur des temps suffisamment long pour permettre la préparation adiabatique depuis l’état fondamental ainsi que l’étude de la thermalisation et du désordre. Cette thèse est un premier pas vers la mise en oeuvre de ce schéma de simulation quantique. (i) Nous démontrons la préparation d’états de Rydberg circulaires à partir d’atomes refroidis par laser dans un environnement cryogénique 4,2 K avec accès optiques. Leur durée de vie révèle une température effective du corps noir micro-ondes de 11±2 K. (ii) Nous évaluons le temps de cohérence pour un seul qubit (268±5 μs), et la durée de vie (3,7±0,1 ms). (iii) Enfin nous démontrons le piégeage par laser d’atomes de Rydberg circulaires prouvant leur photoionisation négligeable sur de nombreux temps de vie à la échèle de 10 ms.

Our team studies the collective behaviour of an atomic gas in the presence of dipole-dipole interactions. These interactions appear when the atoms are illuminated by a laser of wavelength lambda that is nearly resonant with an atomic transition : the atoms are polarized by the laser field, and the induced dipoles interact with each other through the field they radiate. This interaction becomes stronger when the atoms are closer to each other, and can considerably perturb the radiative behaviour of the atomic ensemble, or even prevent the simultaneous excitation of several atoms. For instance, a dense atomic cloud can behave like an optical cavity without any mirrors : the laser can excite certain radiation modes, each with its own frequency and life time, which are different from those of an individual atom. Some of these collective modes are super-radiant (the atomic cloud re-emits the stored excitation faster than an individual atom), others are sub-radiant.In order to study these phenomena, our team has built an experiment that allows the trapping of 1 up to ~500 cold rubidium atoms in a laser trap of ~1µm³ in size. We excite the atoms close to the transition at 780nm. The size of the atomic cloud, on the order of 100 nm, is close to the reduced wavelength. Also, the Doppler broadening of the atomic transition is negligible (cold atoms). The situation is therefore nearly ideal for the observation of the collective radiation modes. We observed the effects of these interactions, but no quantitative agreement with theory has been obtained so far (despite our efforts to simplify the internal atomic structure).We have thus decided to build a second version of the experimental apparatus. This challenging second version now possesses two high resolution optical axes. Not only solving some experimental problems of the previous version, it opens the road to new kind of experiments to study dipolar interactions: new regime of densities and new kind of geometries, as 1D chain of atoms for instance.; Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.

Our team studies the collective behaviour of an atomic gas in the presence of dipole-dipole interactions. These interactions appear when the atoms are illuminated by a laser of wavelength lambda that is nearly resonant with an atomic transition : the atoms are polarized by the laser field, and the induced dipoles interact with each other through the field they radiate. This interaction becomes stronger when the atoms are closer to each other, and can considerably perturb the radiative behaviour of the atomic ensemble, or even prevent the simultaneous excitation of several atoms. For instance, a dense atomic cloud can behave like an optical cavity without any mirrors : the laser can excite certain radiation modes, each with its own frequency and life time, which are different from those of an individual atom. Some of these collective modes are super-radiant (the atomic cloud re-emits the stored excitation faster than an individual atom), others are sub-radiant.In order to study these phenomena, our team has built an experiment that allows the trapping of 1 up to ~500 cold rubidium atoms in a laser trap of ~1µm³ in size. We excite the atoms close to the transition at 780nm. The size of the atomic cloud, on the order of 100 nm, is close to the reduced wavelength. Also, the Doppler broadening of the atomic transition is negligible (cold atoms). The situation is therefore nearly ideal for the observation of the collective radiation modes. We observed the effects of these interactions, but no quantitative agreement with theory has been obtained so far (despite our efforts to simplify the internal atomic structure).We have thus decided to build a second version of the experimental apparatus. This challenging second version now possesses two high resolution optical axes. Not only solving some experimental problems of the previous version, it opens the road to new kind of experiments to study dipolar interactions: new regime of densities and new kind of geometries, as 1D chain of atoms for instance.; Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.

This thesis focuses on the study of interactions between photons guided by an optical nanofiber and arrays of trapped atoms. Our experimental setup consists in a two-color compensated dipole trap located in the evanescent field of an optical nanofiber in a ultra-high vacuum chamber. Cold cesium atoms are trapped in two 1D arrays above and below the nanofiber. An optical depth of over 130 is achieved with only a few thousand atoms. We demonstrate the ability to prepare the trapped atoms in a single Zeeman sub-level, albeit with limited efficiency. This is an important step towards the realization of a long-lived quantum memory with our fibered platform. The main result of this thesis concerns the initialization of a single collective excitation coupled to the nano-waveguide. The excitation is heralded by the detection of a Raman scattered photon in the nanofiber. We are then able to readout the atomic state and retrieve a single photon in the guided mode with an efficiency of up to 25%. This result is the first demonstration of an atomic entangled state preferentially coupled to a waveguide. It is a milestone in the context of the emerging waveguide-QED approach, with applications to quantum networking, quantum non-linear optics and quantum many-body physics.; Cette thèse traite des interactions entre des photons guidés par une nanofibre optique et des réseaux d'atomes piégés. Notre montage expérimental consiste en un piège dipolaire bicolore compensé, généré dans le champ évanescent d'une nanofibre et permettent de piéger des atomes de césium de part et d'autre de la fibre. Une épaisseur optique de plus de 130 est obtenue avec quelques milliers d'atomes seulement. Nous démontrons la capacité de préparer les atomes piégés dans un sous-niveau Zeeman unique, bien qu'avec une efficacité limitée. Cette étape est importante pour la réalisation de mémoires quantiques avec de longs temps de vie avec notre plateforme fibrée. Le résultat principal que nous présentons est la réalisation d'une excitation collective unique dans l'ensemble d'atomes. L'excitation est annoncée par la détection d'un photon émis dans le mode guidé. Nous sommes alors capables de lire l'état atomique et récupérer un photon unique dans le mode guidé avec une efficacité jusqu'à 25%. Ce résultat consiste en une première démonstration d'un état atomique intriqué, couplé préférentiellement à un guide d'onde, une étape importante dans le contexte de l’électrodynamique quantique avec des guides d'ondes.

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).

The exploration of entangled states with large atom numbers and their application represents one of the most dynamic fields of research of contemporary atomic, molecular, and optical physics. Many different experimental techniques have emerged over the past decades to study entangled system. Cold atoms trapped in vacuum have proven to be a powerful venue for the manipulation of such systems. Among the plethora of different experimental platforms, the field of cavity quantum electrodynamics (cQED) provides versatile tools to engineer long-range interactions as well as the possibility to perform tomography of atomic quantum states via non-destructive measurements. More specifically, this thesis reports on the conception and construction of a new ultracold alkaline-earth atom experiment for the fast and reliable loading of a miniaturized cavity. For this purpose, a compact vacuum system including an efficient atomic beam source were designed and set up. The key feature ofthis new apparatus will be the integration of an optical ring resonator, which enables the generation of entangled atomic states via atom-light interactions and nondestructive detection of the atomic state. In addition to the set-up of the new experiment, a prototype of the final ring cavity was studied, demonstrating the shortest open ring cavity to date. Besides its compactness, the cavity compensates for the intrinsic astigmatism of ring cavities. For this purpose, an elliptical mirror structure has been fabricated on a fiber tip using a focused CO2-laser.; L’étude expérimentale d’états intriqués avec un grand nombre d’atomes et de leurs applications constitue l’un des domaines les plus dynamiques de la physique atomique, moléculaire et optique moderne. De nombreuses techniques expérimentales ont émergé au cours des dernières décennies pour étudier des systèmes intriqués. Des atomes froids piégés dans le vide se sont avérés être une technique puissante pour la manipulation de ces systèmes. Parmi la grande variété de dispositifs expérimentaux dans le domaine des atomes froids, le champ de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED) permet de produire et contrôler des interactions à longue portée, ainsi que de tomographier des états quantiques via des mesures non-destructives. Cette thèse rend compte de la conception et de la construction d’un nouveau dispositif expérimental d’atomes froids permettant le refroidissement optique du strontium pour le chargement rapide et fiable d’une cavité miniaturisée. Dans ce but, un système à vide compact comprenant une source d’un jet atomique efficace a été conçu et mis en place. La caractéristique principale de cette nouvelle expérience sera l’intégration d’une cavité en anneau qui permet d’intriquer des ensembles atomiques. Outre le montage de la nouvelle expérience, un prototype d’une nouvelle génération de résonateurs en anneau a été conçu et étudié expérimentalement au cours de cette thèse. C’est la cavité en anneau la plus compacte et courte à ce jour. En outre, afin de compenser l’astigmatisme intrinsèque des cavités en anneau, une structure de miroir elliptique a été fabriquée sur une pointe de fibre, à l’aide une procédure d’usinage par tirs multiples d’un laser CO2 focalisé.

In this work, we transfer a Bose-Einstein condensate of metastable Helium atoms to a 3D cubic lattice potential (optical lattice). This system is an experimental realization of the Bose-Hubbard Hamiltonian that depends on two parameters that are the interaction strength U between the atoms and the kinetic energy J. Depending on the value of the ratio U/J, the ground state of the system is either a superfluid (SF) or a Mott insulator (MI). In the experiment, we investigated the Mott transition that separates the SF and the MI phases. Thanks to the use of He^*atoms, one can detect the atoms individually and in 3D after a long time-of-flight. As a result, we access the in-trap momentum distribution of the lattice gases probed with a single atom sensitivity and one can compute the momentum correlations at any order. We demonstrate that the 2 and 3-particles correlations of a Mott insulator deep in the MI phase are the ones of a system described by a gaussian density operator. In the MI phase, we investigate the restoration of the first-order coherence on approaching the Mott transition. Finally, by comparing the momentum distributions measured in the experiment with Quantum Monte Carlo numerical simulations performed with the experimental parameters and calculated for a wide range of temperatures, we calculated the temperature of the lattice gases probed, allowing us to investigate the transition between a SF and a thermal gas (NF) that occurs when increasing the temperature of the system. We notably have measured the condensate fraction across the SF-NF and the SF-MI transitions. We demonstrated that when probing trapped systems, if the condensate fraction is a good observable to locate the position of the phase transition, it is not the case for the SF-MI transition. We thus probed different observables.; Dans cette thèse, nous transférons un condensat de Bose-Einstein d'Hélium métastable dans un potentiel cubique 3D (réseau optique). Ce système constitue une réalisation expérimentale de l'Hamiltonien de Bose-Hubbard où interviennent deux échelles d'énergie: la force d'interaction entre les atomes U et l'énergie cinétique J. Suivant le rapport U/J, l'état fondamental de ce système est soit un superfluide (SF), soit un isolant de Mott (MI). Ces deux phases sont séparées par une transition appelée transition de Mott dont nous avons étudié quelques propriétés au cours de cette thèse. Grâce à l'utilisation d'atomes d'Hélium dans un état métastable, il est possible de détecter ces atomes de manière individuelle et en 3D après un long temps de vol. Ainsi, on a accès à la distribution en impulsion du gaz piégé résolue à l'atome unique, ce qui permet de mesurer les fonctions de corrélation en impulsion à n'importe quel ordre. Nous avons démontré que les corrélations d'ordre 2 et 3 en impulsion sont celles d'un système décrit par une matrice densité gaussienne pour un isolant de Mott loin de la transition. Dans la phase MI, nous avons par ailleurs étudié l'augmentation de la cohérence à une particule en se rapprochant de la transition de Mott. Pour finir, nous avons comparé les distributions en impulsion mesurées expérimentalement à des distributions numériques exactes calculées à partir de l'algorithme Monte Carlo et de nous paramètres expérimentaux pour un panel de températures. Ces comparaisons nous ont permise de mesurer la température des nuages étudiés nécessaire à l'étude de la transition de phase entre un état SF et l'état thermique (NF) qui apparait lorsque le gaz est chauffé au delà d'une certaine température. En particulier, nous avons mesuré l'évolution de la fraction condensée le long des transitions de phases SF-MI et SF-NF. Nous avons montré que si l'évolution de la fraction condensée en fonction de la température permet de mesurer la position de la transition de phase SF-NF, l'inhomogénéité des nuages étudiés rend la mesure de la position de la transition de Mott plus compliquée. Dans ce cas, nous avons donc étudié d'autres observables.

My thesis consists in developing a new atom interferometer using Bose Einstein condensate sources. This new interferometer aims to overcome current state of the art sensitivity, and will be used to perform equivalence principle test, quantum electrodynamics, and theories beyond standard model. During my PhD, I designed and built a new interferometer to perform a test of atom electrical neutrality by taking advantage of the scalar Aharanov-Bohm effect.In this manuscript, I present, in a first part, the ultra-cold atom source obtained with an all optical method. An evaporation cooling was performed on a cloud of 3.109 atoms with a temperature of 20 µK to end up with a pure condensate of 2.104 atoms. In a second time, a laser setup was designed and built to create an optical diffraction lattice. In the meantime, a part of my work also consisted in developing a mesoscopic atom chip. The use of atom chip allows to considerably reduce the dimension of the apparatus, it requires a low electrical power and allows a high duty cycle. Such a technology offers new perspectives regarding space missions.; Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, s’inscrit dans le développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l’utilisation de condensats de Bose Einstein manipulés par des réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres permettront de surmonter les limites actuelles des interféromètres atomiques, ils sont notamment envisagés pour tester la relativité générale, la QED et de nouveaux modèles en physique des particules. Les études menées pendant ma thèse visent à dimensionner le nouvel interféromètre pour réaliser un test de la neutralité de l'atome grâce à une nouvelle approche fondée sur des mesures de déphasages induits par l'effet Aharonov-Bohm scalaire. Dans ce manuscrit, je présente dans une première partie, le dimensionnement et la réalisation d’une source d’atomes ultra-froids avec une méthode tout optique. Nous partons d’un nuage de 3.109 atomes à 20 µK pour arriver à un condensat pur de 2.104 atomes. Dans un second temps, je détaille la conception et la réalisation du réseau de diffraction optique. Je présente finalement une autre étude réalisée en parallèle, portant sur le développement d’une puce à atomes de taille millimétrique fabriquée au laboratoire. Les puces atomiques présentent l’avantage d’être compactes, elles requièrent une faible consommation énergétique et permettent d’avoir un taux de cycle rapide. Ainsi cette technologie ouvre de nombreuses perspectives pour d’éventuelles missions embarquées.

My thesis consists in developing a new atom interferometer using Bose Einstein condensate sources. This new interferometer aims to overcome current state of the art sensitivity, and will be used to perform equivalence principle test, quantum electrodynamics, and theories beyond standard model. During my PhD, I designed and built a new interferometer to perform a test of atom electrical neutrality by taking advantage of the scalar Aharanov-Bohm effect.In this manuscript, I present, in a first part, the ultra-cold atom source obtained with an all optical method. An evaporation cooling was performed on a cloud of 3.109 atoms with a temperature of 20 µK to end up with a pure condensate of 2.104 atoms. In a second time, a laser setup was designed and built to create an optical diffraction lattice. In the meantime, a part of my work also consisted in developing a mesoscopic atom chip. The use of atom chip allows to considerably reduce the dimension of the apparatus, it requires a low electrical power and allows a high duty cycle. Such a technology offers new perspectives regarding space missions.; Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, s’inscrit dans le développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l’utilisation de condensats de Bose Einstein manipulés par des réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres permettront de surmonter les limites actuelles des interféromètres atomiques, ils sont notamment envisagés pour tester la relativité générale, la QED et de nouveaux modèles en physique des particules. Les études menées pendant ma thèse visent à dimensionner le nouvel interféromètre pour réaliser un test de la neutralité de l'atome grâce à une nouvelle approche fondée sur des mesures de déphasages induits par l'effet Aharonov-Bohm scalaire. Dans ce manuscrit, je présente dans une première partie, le dimensionnement et la réalisation d’une source d’atomes ultra-froids avec une méthode tout optique. Nous partons d’un nuage de 3.109 atomes à 20 µK pour arriver à un condensat pur de 2.104 atomes. Dans un second temps, je détaille la conception et la réalisation du réseau de diffraction optique. Je présente finalement une autre étude réalisée en parallèle, portant sur le développement d’une puce à atomes de taille millimétrique fabriquée au laboratoire. Les puces atomiques présentent l’avantage d’être compactes, elles requièrent une faible consommation énergétique et permettent d’avoir un taux de cycle rapide. Ainsi cette technologie ouvre de nombreuses perspectives pour d’éventuelles missions embarquées.

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.

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 fine structure constant can be determined from the measurement of the ratio h/m between the Planck constant, h, and the mass of an atom, m. The comparison of the experimental value of the anomalous magnetic moment of the electron or the muon with their theoretical values predicted by the Standard Model using this value of the fine structure constant allows a very precise test of this model. My thesis work focused principally on the measurement of the h/m ratio of rubidium-87 using a new experimental device. This device has been designed to produce an ultra-cold source by evaporation in an all-optical dipole trap loaded from optical molasses. We optimized the parameters of the experimental device using a genetic algorithm, which allowed us to produce a Bose Einstein condensate, containing 120,000 atoms, polarized in the state F=1, mF=0, with a cycle time of 3.5 seconds. We then installed the laser device for atom interferometry, to interrogate a cloud of cold atoms produced by optical molasses. Combining an interferometer using Raman transitions and the Bloch oscillation technique, we demonstrated an unprecedented sensitivity on the measurement of h/m corresponding to a relative statistical uncertainty of 8.5 x 10-11 in 48 hours of integration, or 4.3 x 10-11 on the fine structure constant. This sensitivity has allowed us to experimentally study a variety of systematic effects. We simultaneously carried out modelling work that contributed to the implementation of protocols to compensate for the biases induced by systematic effects. We present a preliminary assessment of the error budget associated with these effects.; La constante de structure fine α peut être déterminée à partir de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome m. La comparaison de la valeur expérimentale de l’anomalie du moment magnétique de l’électron ou du muon à leurs valeurs théoriques prédites par le Modèle Standard et utilisant cette valeur de α permet d’accomplir un test très précis de ce modèle. Mon travail de thèse a porté principalement sur la mesure du rapport h/m de l’isotope 87 du rubidium en utilisant un nouveau dispositif expérimental conçu pour produire une source ultra-froide par évaporation dans un piège dipolaire tout-optique chargé par une mélasse optique. Nous avons optimisé les paramètres du dispositif à l’aide d’un algorithme génétique, ce qui nous a permis de produire un condensat de Bose Einstein, contenant 120.000 atomes, polarisé dans l’état F=1, mF=0, avec un temps de cycle de 3,5 secondes. Nous avons ensuite installé le dispositif laser d’interférométrie atomique, pour interroger un nuage d’atomes froids produit dans une mélasse optique. En combinant un interféromètre utilisant des transitions Raman et la technique des oscillations de Bloch, nous avons démontré une sensibilité sans précédent sur la mesure de h/m correspondant à une incertitude statistique relative de 8,5 10-11 en 48h de temps d’intégration, soit 4,3 10-11 sur α. Cette sensibilité nous a permis d’étudier expérimentalement de nombreux effets systématiques. Nous avons de plus mené un travail de modélisation qui a contribué à la mise en place de protocoles visant à compenser les biais induits par les effets systématiques. Nous présentons un bilan provisoire du budget d’erreurs associé à ces effets.

The fine structure constant can be determined from the measurement of the ratio h/m between the Planck constant, h, and the mass of an atom, m. The comparison of the experimental value of the anomalous magnetic moment of the electron or the muon with their theoretical values predicted by the Standard Model using this value of the fine structure constant allows a very precise test of this model. My thesis work focused principally on the measurement of the h/m ratio of rubidium-87 using a new experimental device. This device has been designed to produce an ultra-cold source by evaporation in an all-optical dipole trap loaded from optical molasses. We optimized the parameters of the experimental device using a genetic algorithm, which allowed us to produce a Bose Einstein condensate, containing 120,000 atoms, polarized in the state F=1, mF=0, with a cycle time of 3.5 seconds. We then installed the laser device for atom interferometry, to interrogate a cloud of cold atoms produced by optical molasses. Combining an interferometer using Raman transitions and the Bloch oscillation technique, we demonstrated an unprecedented sensitivity on the measurement of h/m corresponding to a relative statistical uncertainty of 8.5 x 10-11 in 48 hours of integration, or 4.3 x 10-11 on the fine structure constant. This sensitivity has allowed us to experimentally study a variety of systematic effects. We simultaneously carried out modelling work that contributed to the implementation of protocols to compensate for the biases induced by systematic effects. We present a preliminary assessment of the error budget associated with these effects.; La constante de structure fine α peut être déterminée à partir de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome m. La comparaison de la valeur expérimentale de l’anomalie du moment magnétique de l’électron ou du muon à leurs valeurs théoriques prédites par le Modèle Standard et utilisant cette valeur de α permet d’accomplir un test très précis de ce modèle. Mon travail de thèse a porté principalement sur la mesure du rapport h/m de l’isotope 87 du rubidium en utilisant un nouveau dispositif expérimental conçu pour produire une source ultra-froide par évaporation dans un piège dipolaire tout-optique chargé par une mélasse optique. Nous avons optimisé les paramètres du dispositif à l’aide d’un algorithme génétique, ce qui nous a permis de produire un condensat de Bose Einstein, contenant 120.000 atomes, polarisé dans l’état F=1, mF=0, avec un temps de cycle de 3,5 secondes. Nous avons ensuite installé le dispositif laser d’interférométrie atomique, pour interroger un nuage d’atomes froids produit dans une mélasse optique. En combinant un interféromètre utilisant des transitions Raman et la technique des oscillations de Bloch, nous avons démontré une sensibilité sans précédent sur la mesure de h/m correspondant à une incertitude statistique relative de 8,5 10-11 en 48h de temps d’intégration, soit 4,3 10-11 sur α. Cette sensibilité nous a permis d’étudier expérimentalement de nombreux effets systématiques. Nous avons de plus mené un travail de modélisation qui a contribué à la mise en place de protocoles visant à compenser les biais induits par les effets systématiques. Nous présentons un bilan provisoire du budget d’erreurs associé à ces effets.

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.

Atomic sensors are among the best devices for precision measurements of time, electric and magnetic fields, and inertial forces. However, all atomic sensors that utilise uncorrelated particles are ultimately limited by quantum projection noise, as is already the case for state-of-the-art atomic clocks. This so-called standard quantum limit (SQL) can be overcome by employing entanglement, a prime example being the spin-squeezed states. Spin squeezing can be produced in a quantum non-demolition (QND) measurement of the collective spin, particularly with cavity quantum electrodynamical (cQED) interactions. In this thesis, I present the second-generation trapped-atom clock on a chip (TACC) experiment, where we combine a metrology-grade compact clock with a miniature cQED platform to test quantum metrology protocols at a metrologically-relevant precision level. In a standard Ramsey spectroscopy, the stability of the apparatus is confirmed by a fractional frequency Allan deviation of 6E-13 at 1 s. We demonstrate spin squeezing by QND measurement, reaching 8(1) dB for 1.7E4 atoms, currently limited by decoherence due to technical noise. Cold collisions between atoms play an important role at this level of precision, leading to rich spin dynamics. Here we find that the interplay between cavity measurements and collisional spin dynamics manifests itself in a quantum amplification effect of the cavity measurement. A simple model is proposed, and is confirmed by initial measurements. New experiments in this direction may shed light on the surprising many-body physics in this sytem of interacting cold atoms.; Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.

47 pages, in French; The pair-condensed unpolarized spin-1/2 Fermi gases have a collective excitation branch in their pair-breaking continuum (VA Andrianov, VN Popov, 1976). We study it at zero temperature, with the eigenenergy equation deduced from the time-dependent BCS theory and extended analytically to the lower half complex plane through its branch cut, calculating both the dispersion relation and the spectral weights (quasiparticle residues) of the branch. In the case of BCS superconductors, so called because the effect of the ion lattice is replaced by a short-range electron-electron interaction, we also include the Coulomb interaction and we restrict ourselves to the weak coupling limit ∆/µ → 0 + (∆ is the order parameter, µ the chemical potential) and to wavenumbers q = O(1/ξ) where ξ is the size of a pair; when the complex energy z_q is expressed in units of ∆ and q in units of 1/ξ, the branch follows a universal law insensitive to the Coulomb interaction. In the case of cold atoms in the BEC-BCS crossover, only a contact interaction remains, but the coupling strength ∆/µ can take arbitrary values, and we study the branch at any wave number. At weak coupling, we predict three scales, that already mentioned q ≈ 1/ξ, that q ≈ (∆/µ)^−1/3 /ξ where the real part of the dispersion relation has a minimum and that q ≈ (µ/∆)/ξ ≈ k_F (k_F is the Fermi wave number) where the branch reaches the edge of its existence domain. Near the point where the chemical potential vanishes on the BCS side, µ/∆ → 0 + , where ξ ≈ k_F , we find two scales q ≈ (µ/∆)^1/2 /ξ and q ≈ 1/ξ. In all cases, the branch has a limit 2∆ and a quadratic start at q = 0. These results were obtained for µ > 0, where the eigenenergy equation admits at least two branching points epsilon_a (q) and epsilon_b (q) on the positive real axis, and for an analytic continuation through the interval [ epsilon_a (q), epsilon_b (q)]. We find new continuum branches by performing the analytic continuation through [ epsilon_b (q), +∞[ or even, for q low enough, where there is a third real positive branching point epsilon_c (q), through [ epsilon_b (q), epsilon_c (q)] and [ epsilon_c (q), +∞[. On the BEC side µ < 0 not previously studied, where there is only one real positive branching point epsilon_a (q), we also find new collective excitation branches under the branch cut [ epsilon_a (q), +∞[. For µ > 0, some of these new branches have a low-wavenumber exotic hypoacoustic z_q ≈ q^3/2 or hyperacoustic z_q ≈ q^4/5 behavior. For µ < 0, we find a hyperacoustic branch and a nonhypoacoustic branch, with a limit 2∆ and a purely real quadratic start at q = 0 for ∆/|µ| < 0.222.; Les gaz de fermions de spin 1/2 non polarisés condensés par paires présentent une branche d'excitation collective dans leur continuum de paire brisée (V.A. Andrianov, V.N. Popov, 1976). Nous en effectuons une étude poussée à température nulle, à partir de l'équation aux énergies propres déduite de la théorie BCS dépendant du temps puis prolongée analytiquement au demi-plan complexe inférieur à travers sa ligne de coupure, en calculant à la fois la relation de dispersion et les poids spectraux (résidus de quasi-particule) de la branche. Dans le cas des supraconducteurs dits BCS où l'effet du réseau cristallin est remplacé par une interaction attractive à courte portée, mais où l'interaction de Coulomb doit pouvoir être prise en compte, nous nous restreignons à la limite de couplage faible ∆/µ → 0 + (∆ est la paramètre d'ordre, µ le potentiel chimique) et aux nombres d'onde q = O(1/ξ) où ξ est la taille d'une paire ; quand l'énergie complexe z_q est exprimée en unités de ∆ et q en unités de 1/ξ, la branche suit une loi universelle que nous déterminons, insensible à l'interaction de Coulomb. Dans le cas des atomes froids dans le croisement CBE-BCS, il ne reste qu'une interaction de contact mais le couplage ∆/µ peut prendre des valeurs arbitraires, et nous étudions la branche à tout nombre d'onde. En couplage faible, nous prédisons trois échelles, celle déjà mentionnée q ≈ 1/ξ, celle q ≈ (∆/µ)^−1/3 /ξ où la partie réelle de la relation de dispersion admet un minimum et celle q ≈ (µ/∆)/ξ ≈ k_F (k_F est le nombre d'onde de Fermi) où la branche atteint le bord de son domaine d'existence. Près du point d'annulation du potentiel chimique du côté BCS, µ/∆ → 0 + , où ξ ≈ k_F , nous trouvons les deux échelles q ≈ (µ/∆)^1/2 /ξ et q ≈ 1/ξ. Dans tous les cas, la branche est de limite 2∆ et de départ quadratique en q = 0. Ces résultats ont été obtenus pour µ > 0, où l'équation aux énergies propres admet au moins deux points de branchement epsilon_a (q) et epsilon_b (q) sur l'axe réel positif, avec un prolongement analytique par l'intervalle [epsilon_a (q), epsilon_b (q)]. Nous trouvons de nouvelles branches du continuum en prolongeant analytiquement à travers [ epsilon_b (q), +∞[ ou même, pour q assez faible, où existe un troisième point de branchement réel positif epsilon_c (q), à travers [ epsilon_b (q), epsilon_c (q)] et [ epsilon_c (q), +∞[. Du côté CBE µ < 0 non étudié auparavant, où existe un seul point de branchement réel positif epsilon_a (q), nous trouvons également de nouvelles branches sous la ligne de coupure [ epsilon_a (q), +∞[. Pour µ > 0, certaines de ces nouvelles branches présentent à faible nombre d'onde un comportement exotique hypoacoustique z_q ≈ q^3/2 ou hyperacoustique z_q ≈ q^4/5. Pour µ < 0, nous trouvons une branche hyperacoustique et une branche non hypoacoustique, de limite 2∆ et de départ quadratique purement réel en q = 0 pour ∆/|µ| < 0, 222.

After few decades of development, atom interferometry has become an extremely efficient tool for measuring inertial effects such as accelerations and rotations. Such techniques are now envisioned for a future generation of gravitational wave detectors to push further the limit of the current optical detectors. The Matter-Wave Laser Interferometer Gravitation Antenna (MIGA) instrument will couple atom and optical interferometry to study perturbations of the gravitational field at low-frequencies (Hz and sub-Hz). It will consist of an array of 3 atom interferometers, simultaneously interrogated by the light field resonating inside two 150 m long optical cavities, using a set of high order Bragg pulses π/2 - π - π/2. Gradiometric measurements allows a strong immunity to seismic and newtonian noises which limit optical ground-based detectors such as LIGO and Virgo. A preliminary experiment is being developed at the LP2N laboratory, in Talence (France), where a single atomic cloud is interrogated inside two 80 cm long cavities. In order to interrogate efficiently the 87Rb atoms, a gaussian beam with a radius of several mm resonating inside these cavities is required. This can be achieved by using a marginally stable cavity geometry, composed by two plane mirrors located in the focal planes of a biconvex lens.; Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.

This thesis contains several experimental studies centered around the dynamics of bosons in one dimension (1D). With the use of an atomchip setup we create very elongated trapping geometries for 87Rb. This leads to the freeze-out of two dimensions and the creation of a 1D gas with contact interactions, described the Lieb-Liniger model. The manuscript contains three independent experimental studies: The first one investigates the out-of-equilibrium dynamics after an interaction quench. We observe the time evolution of squeezed Bogoliubov modes and show that this dynamics continues on times which cannot be observed on the first order correlation function.The second study shows that three-body losses cool a 1D Bose gas in the quasi-condensate regime. This work is accompanied by a theoretical study, which predicts this cooling for j-body losses.The third study consists of the first experimental study of a new theory in integrable systems -- the Generalized HydroDynamics (GHD).We show that GHD is the only "simple" theory which correctly describes the experimental results.In particular, the Conventional HydroDynamics (CHD) approach fails to reproduce the experimental observation. In contrast to GHD, CHD does not take into account the integrability of the system.; Cette thèse contient plusieurs études expérimentales centrées sur la dynamique des bosons dans une dimension (1D). En utilisant une expérience de type puce atomique, nous créons des géométries de piègage très allongées pour des atomes de 87Rb. Cela conduit à geler deux dimensions et à créer un gaz 1D avec des interactions de contact qui est décrit par le modèle de Lieb-Liniger. Le manuscrit contient trois études expérimentales indépendantes: La première étude traite de la dynamique hors équilibre suite à une trempe des interactions. Nous observons l'évolution temporelle des modes de Bogoliubov comprimés et montrons que cette dynamique continue sur des temps qui ne seraient pas observable sur la fonction de corrélation d'ordre un.La deuxième étude montre que les pertes à trois-corps refroidissent un gaz de Bose 1D dans le régime quasi-condensat. Ce travail est accompagné d'une étude théorique qui prédit ce refroidissement pour les pertes à j-corps.La troisième étude est la première étude expérimentale d'une nouvelle théorie des systèmes intégrables, nommé HydroDynamics Généralisé (HDG).Nous montrons que HDG est la seule théorie "simple" qui décrit correctement les résultats expérimentaux.En particulier, l’approche de l'HydroDynamique Conventiennelle (HDC) ne reproduit pas l’observation expérimentale. Contrairement au HDG, HDC ne prend pas en compte l’intégrabilité du système.

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.

The problem of the interaction of N atoms with a laser beam and vacuum modes can give rise to many interesting phenomena concerning the spontaneous emission of light and its propagation in the medium. The cooperative effects, for example, such as superadiance and subradiance, are effects related to the coherence created between the atoms when a photon is emitted spontaneously by a single excited atom. Superradiance can be defined as the enhancement of the spontaneous emission due to constructive interference of the scattered light. Its counterpart, subradiance, is the trapping of some remaining light due to destructive interference. In cold atoms, some previous theoretical works predict and characterize these two cooperative effects in a large and diluted atomic cloud, in the regime of low intensities and large detunings of the incident laser. The theoretical model is a coupled-dipole model for two-level atoms driven by a low-intensity field and in the scalar approach. The experiment consists in measuring the super- and subradiant decay rates from the temporal emitted intensity after the switch off of the incident laser in the steady state. Our experimental setup consists in a magneto-optical trap of rubidium 87 atoms at large resonant optical thicknesses. A probe beam excites the atoms close to the D2 line. The intensity emitted is detected by a single photon detector with no afterpulsing and a calibration procedure allows us to determine the resonant optical thickness of the cloud and its temperature. In this work, we report the experimental observation of super- and subradiance in a large cloud of cold atoms. For subradiance, the main result is the linear evolution of the characteristic time with the resonant optical thickness of the cloud and its independence of the detuning. For superradiance, we observe superradiance out of the forward direction. We verify the validity of our interpretations with the predictions of the coupled-dipole model. Finally, we discuss the interplay of subradiance and radiation trapping, as well as theoretical predictions for: a setup of a phased cloud, to control the subradiant amplitude emission; and temperature effects, where subradiance is shown to be robust in a large range of temperatures.; Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.