Rozprawy doktorskie na temat „Atoms”

La simulation quantique offre un moyen très prometteur pour comprendre les systèmes quantiques corrélés macroscopiques. De nombreuses plateformes expérimentales sont en cours d'élaboration. Les atomes de Rydberg sont particulièrement intéressants grâce à leur forte interaction dipolaire de cours portée. Dans notre manip, nous préparons et manipulons des ensembles d'atomes de Rydberg excités à partir d'un nuage atomique ultra-froid piégé magnétiquement sur une puce à atome supraconductrice. La dynamique de l'excitation est contrôlée par le processus d'excitation du laser. Le spectre d'énergie d'interaction atomique des N corps est mesuré directment par spectroscopie micro-onde. Dans cette thèse, nous développons un modèle Monte Carlo rigoureux qui nous éclaire sur le processus d'excitation. En utilisant ce modèle, nous discutons de la possibilité de réaliser des simulations quantiques du transport d'énergie sur une chaîne 1D d'atomes de Rydberg de faible moment angulaire. De plus, nous proposons une plateforme innovante pour la réalisation de simulations quantiques. Elle repose sur une approche révolutionnaire basée sur un ensemble d'atomes de Rydberg dont le temps de vie est extrêmement long, qui interagissent fortement et qui sont piégés par laser. Nous présentons les résultats de simulations numériques et nous discutons du large éventail de problèmes qui peuvent être traités avec le modèle proposé
Quantum simulation offers a highly promising way to understand large correlated quantum systems, and many experimental platforms are now being developed. Rydberg atoms are especially appealing thanks to their strong and short-range dipole-dipole interaction. In our setup, we prepare and manipulate ensembles of Rydberg atoms excited from an ultracold atomic cloud magnetically trapped above a superconducting chip. The dynamics of the Rydberg excitation can be controlled through the laser excitation process. The many-body atomic interaction energy spectrum is then directly measured through microwave spectroscopy. This thesis develops a rigorous Monte Carlo model that provides an insight into the excitation process. Using this model, we discuss a possibility to explore quantum simulations of energy transport in a 1D chain of low angular momentum Rydberg atoms. Furthermore, we propose an innovative platform for quantum simulations. It relies on a groundbreaking approach, based on laser-trapped ensemble of extremely long-lived, strongly interacting circular Rydberg atoms. We present intensive numerical results as well as discuss a wide range of problems that can be addressed with the proposed model

Les propriétés exacerbées des atomes de Rydberg ont permis d'étendre les possibilités offertes par les atomes froids dans la création de gaz d'atomes en très forte interaction, avec des applications notamment en simulations quantiques, dans la physique à N corps ou dans la réalisation de portes quantiques grâce au phénomène de blocage dipolaire. L'utilisation des atomes de Rydberg froids est cependant actuellement limitée par le fait qu'il n'est pas possible de continuer d'appliquer les techniques expérimentales de manipulation optique avec les atomes à un électron actif. L’attention de la communauté des atomes de Rydberg froids s’est donc récemment portée sur les atomes à deux électrons actifs qui offrent la possibilités, une fois l’un des deux électrons excité vers un état de Rydberg, de disposer d’un second électron optiquement actif qu’il va être possible de manipuler par laser. L’objectif de cette thèse est d’étendre les techniques de manipulation optique aux atomes à deux électrons actifs excités dans des états de Rydberg, dans le cas de l’atome d’ytterbium. Elle présente d’une part la conception et l’assemblage du dispositif expérimental permettant l’obtention d’une source d’atomes de Rydberg froids d’ytterbium. A terme, ce montage permettra la manipulation optique de ces atomes de Rydberg. D’autre part, elle présente le développement d’un modèle numérique implémentant la théorie du défaut quantique à plusieurs voies pour permettre la détermination théorique du spectre énergétique de l’ytterbium ainsi que son comportement sous l’effet de perturbations extérieures
The exacerbated properties of Rydberg atoms have extended the possibilities offered by cold atoms in creating atomic gases in very strong interaction with applications including quantum simulations in many-body physics or in achieving of quantum gates with the dipole blocking phenomenon. The use of cold Rydberg atoms is however currently limited by the fact that it is not possible to continue to apply the experimental techniques of optical manipulation with the atoms to an active electron. The attention of the Rydberg atoms cold community is recently focused on the two active electron atoms offering possibilities, once one of the two electrons excited to a Rydberg state, to provide a second optically active electron that it will be possible to manipulate with laser light.The objective of this thesis is to extend the optical manipulation techniques to atoms with two active electrons excited in Rydberg states, in the case of the ytterbium atom. It has on the one hand the design and assembly of the experimental apparatus for obtaining a source of cold Rydberg ytterbium atoms. Ultimately, this device will allow the optical manipulation of these Rydberg atoms. Furthermore, it presents the development of a numerical model that implements the multichannel quantum defect theory to the theoretical determination of the energy spectrum of ytterbium and its behavior under the influence of external perturbations

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
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

Dans cette thèse, nous étudions la propagation des atomes dans un guide magnétique toroïdal, dans le but de développer un capteur inertiel. Ici, nous présentons différentes stratégies pour créer un guide sur une puce atomique pour un interférometre Sagnac atomique guidé. Nous avons mis au point trois solutions qui peuvent être realisé avec la même configuration des fils. Ils utilise la technique de modulation de courant avec un nouveau point de vue qui traite simultanément la problème de rugosité des fils et les pertes de Majorana dépendant du spin. L'effect de la propagation multimode des atomes dan le guide est aussi quantifié dans cette thèse. En utilisant un modèle simple, nous avons couvert les cas de la propagation de gaz non interactif ultra froids et thermique. Nous avons identifié les conditions operationelles pour realiser un interferometre à atomes froids avec une grande gamme dynamique, essentielle pour les application en navigation inertielle. Expérimentalement, cette thèse decrit la réalisation et la characterisation de la source atomes froids proche d'un substrat avec un dépôt d'or, ainsi que l'implémentation et la caracterisation des systèmes de détection
In this thesis we study the propagation of atoms in a magnetic toroidal waveguide, with the aim of developing an inertial sensor. Here, we present different strategies to create the waveguide on an atom chip for a guided Sagnac atom interferometer. We devised three solutions which can be achieved using the same wire configuration. They use the current modulation technique, from a new point of view, which simultaneously tackles the problem of wire corrugation and spin dependent Majorana atom losses. The effect of the multimode propagation of the atoms in the guide is also quantified in this thesis. Using a simple model, we covered the propagation of noninteracting ultracold and thermal gases. We identified the operating conditions to realize a cold atom interferometer with a large dynamic range essential for applications in inertial navigation. Experimentally, the thesis describes the realisation and characterisation of the cold atom source close to a gold coated substrate, as well as the implementation and the characterisation of the atom detection systems

Light and atoms couple together via the electromagnetic interaction. The simplest form of this interaction is the electric dipole interaction, and in its quantised form it provides a useful starting point for the investigation of quantum effects in optics. Two examples of quantum noise manipulation of the light field due to interaction with atoms will be presented, as well as an analysis of a simple model for laser cooling of trapped atoms. The first example of quantum noise manipulation is the investigation of a quantum non-demolition measurement scheme based on a three-level atomic system in the ladder configuration. An effective two-level model of the atomic system is used, which enables the inclusion of spontaneous emission noise from the upper atomic level. The system is found to perform well, when detuned far from resonance. The second example is the treatment of squeezing in the intensity difference between two modes coupled by a three-level atomic system in the ladder configuration. The noise correlations are similar to those occurring in the optical parametric oscillator, and give rise to good squeezing when the system is well detuned from the intermediate level. The simple model of laser cooling consists of a single two-level atom with quantised centre-of-mass motion constrained to move in a one-dimensional harmonic potential while interacting with a single-mode classical travelling light field. It is shown that there is an analogy between this model and the Jaynes-Cummings model. This gives rise to interesting coherent effects including quantum collapses and revivals in the atomic inversion. Sideband cooling occurs for this model when the light field is tuned to the atom's first lower vibrational sideband. The strong sideband and Lamb-Dicke perturbation regimes are defined. Analytic results have previously been obtained for the latter regime, but we carry out a numerical investigation of the steady state and time evolution behaviour in the former regime. Differences in the behaviour in the two regimes are discussed. Finally the possibility of observing quantum jumps between trap levels is discussed.

This thesis focuses on theoretical quantum optics, with special emphasis on developing protocols in which engineered vacuum forces enable one to construct hybrid systems. In these systems, atoms are combined with solid-state devices in order to take advantage of their unique properties such as long coherence times of atoms and flexibility, tunability, scalability, and fast response offered by solid-state systems. Special attention is given to the study of atom-surface interactions with Rydberg atoms, where exact Fano-type diagonalization of the interaction Hamiltonian is obtained showing that, not only do Rydberg atoms suffer energy shifts, the presence of a surface leads to an alteration and admixture of the unperturbed eigenstates. Of particular interest are dispersion forces on graphene systems. We investigate whether and under which circumstances the Casimir-Polder potential between an atom and a graphene-substrate system is dominated by the interaction with graphene such that the effect of the substrate does not play an important role. We also explore the possibility to create a setup where dispersion forces could be use to bend a graphene sheet. Placing an atom close, at distances of a few hundred nanometers, to a free-standing graphene membrane we show that temporal changes in the atomic state change the Casimir-Polder interaction, thereby leading to the creation of a backaction force in the graphene sheet. Finally, we look at nonlinear atom--surface coupling processes with the aim of proposing a hybrid quantum circuit device in which individual field-excitations can be transferred between atoms and surface polaritons on demand. Deeper investigations of nonlinear processes reveal the existence of a sum rule for two-photon spontaneous decay rates that can be simply understood as a redistribution of photonic modes across the frequency spectrum where the total integrated number of modes is still conserved.

A high flux metastable Neon atomic beam was designed and characterised. Atom optical enhancement of the beam using a two-dimensional optical collimator, novel two beam Zeeman slower and hexapole magnetic guide was performed to produce a UV-free metastable flux of (4.35 × 109 ± 4 × 107) atoms s−1. Investigations of several resists for neutral atom lithography were undertaken. A quantitative investigation of the wetting properties of ethanethiol (ET) and dodecanethiol (DDT) self-assembled monolayers (SAM’s) exposed to various metastable dosages was carried out. A mechanism for the poor lithographic patterning using ET was proposed and the negative contrast patterning observed for this SAM was similar to those observed for bare gold substrates and were attributed to mechanical pump oil (MPO) contamination resists. Negative patterned resists were used to produce 7.5 μm iron dots on a silicon substrate via neutral atom lithography. This scheme was found to be very robust and free from the laser cooling issues of alternative direct depositional schemes. Numerical simulations have shown that two dimensional arrays of magnetic nanodots may be produced this way, paving the way for a magnetic storage option with a density of " 0.1 Gbit mm−2.
Thesis (PhD Doctorate)
Doctor of Philosophy (PhD)
School of Biomolecular and Physical Sciences
Science, Environment, Engineering and Technology
Full Text

Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible
Rydberg atoms offer an ideal platform for the study of long-range interacting systems.However, usual techniques for imaging and trapping are unavailable in alkali Rydberg atoms. Our approach rely on the use of a two-optically-active-valence-electrons atom such as ytterbium. Ionic core transitions of this atom offer new perspecives for optical manipulation in the Rydberg state. However,questions remain open, especially on the possibilities of avoiding the autoionization, process which occurs when the atom is doubly excited.In this thesis, we report on the construction of the experiment, from the cooling and trapping of theatoms to the excitation in Rydberg states. Because of the interactions between valence electrons, the spectroscopy of these highly excited states is relatively complicated. An experimental study, coupled to a multi-channel quantum defect analysis (MQDT) has been done on the s,p,d and f Rydberg series. This study produced an improvement on the precision of the spectroscopy of this series by more than two orders of magnitude. We then studied the isolated core excitationon the 6s1/2 -> 6p1/2 transition for Rydberg states of large orbital quantum numbers (l=5-9). This study showed that auto-ionisation is mostly due to the coupling to the continuum of the 5d3/2 core state. In opposition to the barium atom, where auto-ionisation drops rapidly with the orbital quantum number, we have shown that ytterbium is less favourable to that extent. Thanks to this study we will be able to determine which states are good candidates for the optical manipulation

Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique
Rydberg atoms and superconducting cavities are remarkable tools for the exploration of basic quantum phenomena and quantum information processing. These giant atoms are blessed with unique properties. They undergo a strong distance-Dependent dipole-Dipole interaction that gives rise to the dipole blockade mechanism: in the Van der Waals regime, this energy shift scales as n11, where n is the principal quantum number. If we shine an excitation laser tuned at the frequency of the isolated atomic transition on an atomic cloud, we expect to excite at most one atom within a blockade volume of ⇠ 8(μm)3. We have set up an experiment to prepare deterministically one Rydberg atom. It uses a small cloud of ground-State Rubidium 87 atoms, magnetically trapped on a superconducting atom chip at 4 K, and laser-Excited to the Rydberg states. The dipole blockade effect is sensitive to the line broadening due to the stray electric fields. Once an atom has been excited to our target state HH 60S1/2↵, we explore the narrow millimeter-Wave transitions between Rydberg states in order to assess these stray fields . With a gold-Coated front surface for the chip, we observe as other groups large field gradients due to slowly deposited Rubidium atoms. We circumvent this problem by coating the chip with a metallic Rubidium layer. This way the gradients are reduced by an order of magnitude. This improvement allows us to observe extremely high coherence times, in the millisecond range, for Rydberg atoms near a superconducting atom-Chip. Theoretically, we present a simple scheme for the fast and efficient generation of quantum superpositions of two coherent fields with different classical amplitudes in a cavity. It relies on the simultaneous interaction of two two-Level atoms with the field. Their final detection with a high probability in the proper state projects the field onto the desired mesoscopic field state superposition (MFSS). We show that the scheme is notably more efficient than those using a single atom. This work is done in the context of cavity QED, where the two-Level systems are circular Rydberg atoms whose lifetime may reach milliseconds, interacting with the field of a superconducting microwave cavity. But this scheme is also highly relevant for the thriving field of circuit-QED. In both contexts, it may lead to interesting experimental studies of decoherence at the quantum-Classical boundary

Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet.

Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen.

Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren:
(i) ein Bereich eines stabilen Gemisches,
(ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und
(iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert.

Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung.

Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden.
The theory of atomic Boson-Fermion mixtures in the dilute limit beyond mean-field is considered in this thesis.
Extending the formalism of quantum field theory we derived expressions for the quasi-particle excitation spectra, the ground state energy, and related quantities for a homogenous system to first order in the dilute gas parameter.

In the framework of density functional theory we could carry over the previous results to inhomogeneous systems. We then determined to density distributions for various parameter values and identified three different phase regions:
(i) a stable mixed regime,
(ii) a phase separated regime, and
(iii) a collapsed regime.

We found a significant contribution of exchange-correlation effects in the latter case. Next, we determined the shift of the Bose-Einstein condensation temperature caused by Boson-Fermion interactions in a harmonic trap due to redistribution of the density profiles.

We then considered Boson-Fermion mixtures in optical lattices. We calculated the criterion for stability against phase separation, identified the Mott-insulating and superfluid regimes both, analytically within a mean-field calculation, and numerically by virtue of a Gutzwiller Ansatz. We also found new frustrated ground states in the limit of very strong lattices.

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Anmerkung:
Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2004 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam.

This thesis describes the dipole trapping of both metastable and ground state argon atoms. Metastable argon atoms are first Doppler-cooled down to ∼80 μK in a magneto- optical trap (MOT) on the 4s[3/2]2 to 4p[5/2]3 transitions. These were loaded into dipole traps formed both within the focus of a high-power CO2 laser beam and within an optical build-up cavity. The optical cavity’s well depth could be rapidly modulated: allowing efficient loading of the trap, characterisation of trapped atom temperature, and reduction of intensity noise. Collisional properties of the trapped metastable atoms were studied within the cavity and the Penning and associative losses from the trap calculated. Ground state noble gas atoms were also trapped for the first time. This was achieved by optically quenching metastable atoms to the ground state and then trapping the atoms in the cavity field. Although the ground state atoms could not be directly probed, we detected them by observing the additional collisional loss from co-trapped metastable argon atoms. This trap loss was used to determine an ultra-cold elastic cross section between the ground and metastable states. Using a type of parametric loss spectroscopy we also determined the polarisability of metastable argon at the trapping wavelength of 1064 nm.

The ability to cool and trap atoms has revolutionized atomic and ultra-cold physics. Molecular physics is currently undergoing a similar transformation. This thesis aims to research a general cooling method that will be applicable to wide range of molecular and atomic species and other particles. We studied the dynamics of molecules in optical fields, focusing in particular on exploring the molecular self-organisation phenomena in optical cavities to cool molecular ensembles to sub-mK temperatures. Firstly, the general model of cavity cooling from atoms to molecules and the dynamics of a particle in a single cavity mode were discussed. We extended the existing cooling scheme for two-level atoms to an ensemble of multi-level molecules. Then we studied the spatial dynamics of molecules in the new parameter conditions, focusing in particular on exploring the molecular self-organisation phenomena in optical cavities to cool molecular ensembles to sub-mK temperatures. The scheme complements well with our present experimental work on the deceleration and focusing of cold molecules and can extend our present capability to simultaneously cool and trap a large cold molecular ensemble. For simulation of a large ensemble of molecules, we proposed a new statistical model based on the Boltzmann equation beside the traditional discrete model and studied two solution methods. The comparison of the theory and numerical simulations between discrete model and statistical model showed a good agreement, which validated this new model. We then explored the scaling laws with a view to the self-organization and cooling of a large ensemble of species. We studied the cooling of a CN molecular cloud of the density 1013/cm3, with an initial temperature at 10 mK in an optical cavity. We found that more than a third of the molecules are stably trapped by the intracavity field and the final temperature is below 1mK. We discussed the scaling laws in the case when a large ensemble of species is involved. Finally we argue that cavity cooling using a far off-resonant laser source can be a general cooling method that is applicable to any particles and studied the probability and conditions.

Transport of muonic hydrogen and deuterium atoms in gaseous hydrogen and deuterium is studied in the diffusion approximation and by means of the multiple collision expansion. The diffusion coefficient is derived. Scattering kernels are computed from the kinematics of an inelastic binary collision. The effect of rotations of the target molecules is treated by defining and computing an effective inelastic energy transfer Q_eff. The Doppler effect is taken into account by averaging the cross sections over the Maxwellian velocity distribution of the target molecules. Numerical results of the time-dependent problem in slab geometry are presented. In part two we construct a candidate for a realistic four generation Calabi-Yau manifold by dividing an algebraic variety in CP₄ x CP₄ with the Z₂ x Z₂ symmetry. A nontrivial embedding of Z₂ x Z₂ in E(6) allows the physically interesting intermediate symmetry, based on Pati-Salam SU(2)_L x SU(2)_R x SU(4)_C group. The group of honest symmetries G_H of the manifold is identified and the transformations properties of quark and lepton fields under G_H are given.
Ph. D.

Diese Dissertation widmet sich der theoretischen Beschreibung ultrakalter Atome in einem optischen Einschluss. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf inelastischen Resonanzen, die durch die Kopplung von Schwerpunkts- und Relativbewegung durch Anharmonizitäten im externen Potenzial Zustande kommen, der Entwicklung einer Methode zur theoretischen Beschreibung von ultrakalten Wenigteilchensystemen in einem vielseitigen Einschlusspotenzial und der Quantensimulation von Attosekundenphysik mit ultrakalten Atomen.
This thesis aims for a theoretical description of ultracold trapped atoms. The main focus are resonance phenomena due to the coupling of center-of-mass and relative motion, the development of a theoretical approach to treat ultracold few-body systems in versatile trap potentials, and the quantum simulation of attosecond physics with ultracold atoms.

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

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

Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats.

La teoria que descriu la Mecànica Quàntica ens ha permès el descobriment de molts fenòmens que prèviament eren ocults dins la seva naturalesa probabilística. Concretament, la Mecànica Quàntica va permetre veure l'ara anomenada dualitat ona-partícula en objectes extremadament petits. Aquest comportament apareix típicament en sistemes aïllats i per tant, els experiments on les partícules no interactuen amb l'ambient son fonamentals per l'estudi de sistemes i fenòmens quàntics. Els àtoms ultrafreds són sistemes en els quals els àtoms són refredats a temperatures de l'ordre dels nanokelvin i, en general, continguts en cambres d'ultra buit, d'aquesta manera els àtoms es poden estudiar en ambients altament controlables. Dins d'aquest camp, els condensats de Bose—Einstein (CBE) són un estat de la matèria particularment interessant. En els CBE totes les partícules d'un gas ultrafred de bosons ocupen de manera macroscòpica un mateix estat quàntic. Aquest comportament fa que els CBE siguin ideals per estudiar fenòmens quàntics a escala macroscòpica. En aquesta tesis, investiguem sistemes on, un fenomen quàntic sense anàleg a la mecànica clàssica, l'efecte túnel, és, o té el potencial de ser, el mecanisme que inicia la dinàmica. Podem dir que una partícula massiva pateix efecte túnel, quan aquesta és capaç d'accedir a una regió clàssicament prohibida sense tenir l'energia cinètica necessària per fer-ho. Aquest fenomen pot aparèixer en diferents formes, per exemple, una partícula pot creuar per efecte túnel una barrera quan hi col·lisiona o pot simplement oscil·lar entre dos pous de potencial separats per una barrera. En aquest context, primer hem considerat la implementació d'un interferòmetre amb solitons de matèria brillants en el qual el mecanisme de divisió ve donat per la col·lisió amb una barrera d'amplada finita. Fem servir solitons de matèria brillants en CBE en una dimensió ja que aquests presenten propietats, com ara un comportament no dispersiu, que els fa ideals per interferometria. Com hem comentat abans, també estem interessats en sistemes on l'efecte túnel apareix entre potencials propers. En aquests casos, per tal d'estimar l'amplitud d'acoblament entre els auto-estats de les trampes locals, és necessari conèixer el perfil de densitat de manera analítica, especialment a les zones de baixa densitat. Particularment, estudiem els perfils de densitat en CBE de dues components atrapats en potencials harmònics els quals es troben en fase miscible. La formulació analítica d'aquests perfils de densitat per a cada component al voltant de les regions de baixa densitat ve donada per equacions universals. Seguidament, ens fixem en la dinàmica d'àtoms individuals en potencials acoblats a través de l'efecte túnel. Primer estudiem processos de passatge adiabàtic que representen una eina robusta i eficient pel transport i la càrrega d'àtoms entre potencials cilíndricament simètrics i concèntrics. Els dos processos que hem investigat estan basats en els anàlegs en matèria del passatge adiabàtic ràpid (RAP en anglès) i de la transferència adiabàtica Raman estimulada (STIRAP en anglès). Amb aquestes dues tècniques, som capaços de transportar l'àtom entre dos i tres anells i de carregar un àtom ultrafred des d’un potencial harmònic a un anell concèntric. Tot seguit, continuem estudiant anells, però aquest cop en comptes de fer servir una configuració concèntrica, fem servir potencials acoblats lateralment, on demostrem que amplituds d'acoblament complexes apareixen de manera natural en la dinàmica dels estats de moment angular de l'àtom. També proposem com fer servir aquesta propietat per dissenyar estats obscurs espacials a través de la interferència quàntica. Finalment, demostrem com aquests estats obscurs es poden fer servir per crear estats de vora en una banda òptica de trampes harmòniques, tant fent servir el conjunt d'estat fonamentals de les trampes com amb els estats que porten moment angular. Primerament, mostrem que aquests estats són robustos i que poden ser obtinguts en altres geometries. A més, també suggerim que fent servir el número quàntic associat al moment angular com a dimensió sintètica, s’obre la possibilitat de simular sistemes quàntics tridimensionals amb xarxes de dues dimensions.
The theory of Quantum Mechanics led to the discovery of many phenomena that were previously hidden by its probabilistic nature. In particular, Quantum Mechanics brought to light the so-called wave-particle duality behavior of extremely small objects. This behavior is typically obtained in isolated systems, therefore experiments where particles do not interact with the environment are basic to study quantum systems and quantum phenomena. Ultracold atoms are systems where atoms are cooled down to temperatures of the order of nanokelvin and, in general, kept in ultrahigh vacuum chambers, such that they can be studied in a highly controlled environment. Within this field, Bose—Einstein condensates (BECs) are a particular appealing state of matter where all the particles of an ultracold bose gas, macroscopically occupy a single quantum state. This behavior makes BECs ideal for studying quantum phenomena at a macroscopic scale. In this thesis, we investigate systems where, a quantum phenomenon that has no analogue in classical mechanics, the quantum tunneling is, or has the potential to be, the mechanism that triggers the dynamics. A tunneling event occurs whenever a massive particle is able to access a classically forbidden region of space without having the necessary kinetic energy to do it. Note that this phenomenon can arise in different scenarios, for instance a particle can tunnel when colliding with a potential barrier or it can simply oscillate between two separated wells separated by a potential barrier. In this context, first, we consider the implementation of a matter-wave bright soliton interferometer whose splitting mechanism is based on tunneling through a finite width barrier. We use bright matter-wave solitons in one dimensional BECs as they present properties, such as their dispersionless behavior, that are ideal for interferometric purposes. As mentioned previously, we are also interested on systems where tunneling occurs between neighboring potentials. For those cases, in order to estimate the tunneling amplitudes that couple the eigenstates of the local traps, the analytical density profiles of the eigenstates are required, especially around the low density regions. In particular, we study the density profiles of harmonically trapped two-component BECs within the miscible phase. The analytical formulation of the density profiles of each component around the low density regions is given by means of universal equations. We then turn our attention to the dynamics of single atoms in tunnel-coupled potentials. First, we study spatial adiabatic passage processes as a robust and efficient technique to transport and load single atoms between cylindrically symmetric concentric potentials. The two processes investigated are based on the matter-wave analogues of the rapid adiabatic passage and of the stimulated Raman adiabatic passage. With these techniques, we are able to transport the atom between two and three rings and to load an ultracold atom from a harmonic potential to a concentric ring. Next, we continue investigating ring potentials, but instead of using concentric rings, we use sided-coupled rings and we demonstrate that in this system, complex tunneling amplitudes appear naturally in the dynamics of single atom angular momentum states. We also propose to use this feature to engineer spatial dark states through quantum interference. Finally, we demonstrate how spatial dark states can be used to create edge-like states in an optical ribbon either for the manifold of ground states of the traps forming the ribbon or for states carrying orbital angular momentum. We show that these states are robust and that can be extended to other geometries. In addition, we suggest to use the winding number associated to the angular momentum as a synthetic dimension opening the possibility to quantum simulate three dimensional systems with two dimensional lattices.

A state-of-the-art crossed molecular beam experiment to study the dynamics of bimolecular reactions of electronically highly excited atoms and molecules has been developed. This was primarily designed to investigate the reaction of highly excited Rydberg hydrogen atoms with D(_2) molecules. This reaction is of special interest as it can be compared to the ion-molecule reaction H(^+) + D(_2), using the free electron model and this reaction acts as a benchmark to theoreticians in the quest to understand more complex reactions. The equipment has been calibrated and tested using the well known photodissociation of HI. The initial reactive scattering ion images for H* + D(_2) reaction have been recorded. It was hoped that it would be possible to extract state-to-state differential cross sections; however, to date sufficient resolution has not been achieved, and reasons for this are explored in this study. An overview of the suitability of the prototype molecular wire 1, 4- bis(phenylethynyl)benzene is also included. In this study UV spectra resolving the torsional motion of the benzene rings have been produced using the technique of cavity ring-down spectroscopy.

This thesis describes the behaviour of cold atoms in optical lattices. In particular, it explores how transport through the energy bands of the optical lattice can be used to study quantum chaos and Bose-Einstein condensation. Firstly, this study examines the dynamics of ultra-cold sodium atoms in a one-dimensional optical lattice and a three-dimensional harmonic trap, using both semi-classical and quantum-mechanical analyses. The atoms show mixed stable-chaotic classical dynamics, which originate from the intrinsically quantum-mechanical nature of the energy band. The quantised energy levels exhibit Gutzwiller fluctuations, and the wavefunctions are scarred by an unstable periodic orbit. Distinct types of wavefunction are identified and related directly to particular parts of the classical phase space via a Wigner function analysis. Secondly, this report studies the dynamics of a rubidium Bose-Einstein condensate in a one-dimensional optical lattice and three-dimensional harmonic trap. The condensates are set in motion by displacing the trap and initially follow simple semi-classical paths, shaped by the lowest energy band. Above a critical displacement, the condensate undergoes Bragg reflection, and performs Bloch oscillations. After multiple Bragg reflections, solitons and vortices form which damp the centre-of-mass motion. Finally, the dynamics of Bose-Einstein condensates in optical lattices are investigated for different parameter regimes, as realised in recent experiments. The results reveal how the experiments can be understood, and identify regimes in which vortices trigger explosive expansion of the condensate.

This thesis contains a theoretical and experimental investigation of semiconductor quantum dots (artificial atoms). The first part presents a numerical study of spin effects in GaAs/AlAs modulation-doped quantum dots containing 0 to 50 electrons. A theoretical model is developed to calculate confinement potentials and ground-state electron density distributions using the Kohn-Sham local spin-density approximation. Spin polarization, defined as the difference between the up- and down-spin electron densities, is predicted to occur spontaneously in symmetric quantum dots and in quantum point contacts in the lowdensity regime as a result of electron exchange interactions. This spontaneous magnetization can be controlled by an applied gate voltage, which opens up applications in spintronics and provides a possible explanation for the non-integer quantization of the quantum point contact conductance. The second part describes experimental techniques to investigate photon-exciton coupling in InAs/GaAs self-assembled quantum dots. Two experiments on resonant excitation of a single quantum dot are proposed, whereby the quantum-dot emission is distinguished from resonant pump light by either photon bunching of collected photons with reference photons, or Michelson interferometry. The feasibility study of the proposed experiments shows that the photon-exciton coupling efficiency must be dramatically increased by putting the quantum dot inside an optical microcavity. Novel types of high-quality, low mode-volume semiconductor microcavities containing quantum dots are designed, fabricated, and studied on a newly built setup. We present the first results of photoluminescence studies of InAs quantum dots inside both GaAs single-defect square-lattice photonic-crystal slabs and GaAs/AlAs micropillars, and InAs artificial molecules formed by vertically coupled strain-assisted quantum dots. The results indicate the potential of these nanostructures for implementing resonant transfer of quantum information, developing quantum repeaters and entangled-photon sources, and studying QED effects in the strong-coupling regime.

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics, 2012.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (p. 109-111).
We present an experiment exploring electromagnetically induced transparency (EIT) in Rydberg atoms in order to observe optical nonlinearities at the single photon level. ⁸⁷Rb atoms are trapped and cooled using a magneto-optical trap (MOT) and a far off resonance dipole trap (FORT). Once the system is prepared, a ladder EIT scheme with Rydberg atoms is used to map the photon field onto the ensemble. The powerful dipole interaction between Rydberg atoms allows the system to exhibit many-body quantum mechanical effects. We also describe an imaging method to observe the Rydberg blockade. Last of all, we present a preliminary measurement of EIT in a Rydberg system. In this measurement, the transmission shows sensitivity to the applied photon flux, and exhibits temporal correlations in the photons exiting the EIT medium.
by Anton Mazurenko.
S.B.

Time-varying fields are widely used to extend the accessible range of trapping potentials for ultracold atoms. This work explores two very different examples of such fields, in the radiofrequency and optical regimes, whose interactions with trapped atoms can both be described in terms of the dressed atom picture. Forming the basis of this work are radiofrequency dressed adiabatic potentials based on macroscopic trapping coils. Atoms are confined at the south pole of the resultant oblate spheroidal trapping surfaces. This work describes the extension of these potentials by two different methods: the application of multiple dressing radiofrequencies, and addition of a rapidly-scanned optical dipole trap. This is the first experimental demonstration of a multiple-radiofrequency dressed adiabatic potential, explored using ultracold ⁸⁷Rb atoms confined in a highly configurable double well. Due to the independent generation of each constituent dressing frequency, the depth of each trapping well and the height of the barrier are easily manipulated, enabling precise and reliable transfer of atoms between the available trapping geometries. Experimental work includes an exploration of the potential-shaping capabilities of the three-radiofrequency system, and characterisation of the potential landscape using radiofrequency spectroscopy with good agreement to the eigenvalues numerically calculated using Floquet theory. This initial exploration of multiple-radiofrequency techniques lays the groundwork for applications in studying double well physics in a two-dimensional system, and independent state or species selective manipulation of trapped atoms. The potential shaping capabilities of this method can also be extended by applying additional trapping frequencies. In a supplementary line of experimental work, an optical dipole trapping system has been constructed, and the trapping beam aligned to the lower surface of the radiofrequency dressed trapping shell in order to sculpt the radial confinement. Beam shaping is achieved using an acousto-optic deflector, which can be used to produce either a composite array of static deflected beams, a rapidly-scanned painted potential, or some combination of the two approaches. The development and extension of the experimental apparatus required to implement these enhanced dressed state potentials is explored, and the challenges of their experimental implementation considered.

Let R be an integral domain. An atom is a nonzero nonunit x of R where x = yz implies that either y or z is a unit. We say that R is an atomic domain if each nonzero nonunit is a finite product of atoms. An atomic domain with only finitely many nonassociate atoms is called a Cohen-Kaplansky (CK) domain. We will investigate atoms in integral domains R with a unique maximal ideal M. Of particular interest will be atoms that are not in M^2. After studying the atoms in integral domains, we will narrow our focus to CK domains with a unique maximal ideal M. In this pursuit, we investigate atoms in M^2 for these CK domains. We will show that the minimal number of atoms needed to have an atom in M^2 is exactly eight. This disproves a conjecture given by Cohen and Kaplansky in 1946 that the minimal number would be ten. We then classify complete local CK domains with exactly three atoms.

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid
The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser)

Dans cette thèse, nous mesurons la dynamique cohérente et les corrélations spatiales des excitations Rydberg dans des matrices 2D d’atomes uniques.Nous utilisons un modulateur spatial de lumière pour façonner la phase spatiale d'un faisceau laser de piégeage optique avant de le focaliser avec une lentille asphérique de grande ouverture numérique. En imprimant une phase appropriée sur le faisceau laser, nous pouvons créer des matrices 2D de pièges optiques, de forme arbitraire et facilement reconfigurables, avec jusqu'à 100 pièges séparées de quelques micromètres. Les pièges sont chargés à partir d'un nuage d'atomes froids de 87Rb, et due aux collisions assistées par la lumière, au plus un seul atome peut être présent dans chaque piège en même temps. Une caméra CCD sensible permet en temps réel l'imagerie de la fluorescence atomique émanant des pièges, ce qui nous permet de détecter individuellement la présence d'un atome dans chaque piège avec une précision presque parfaite.Pour créer des interactions importantes entre les atomes uniques, nous les excitons vers des états de Rydberg, qui sont des états électroniques avec un nombre quantique principal élevé.Un faisceau supplémentaire d'adressage permet la manipulation individuelle d'un atome sélectionné dans la matrice.La connaissance précise, de la fois de la matrice des atomes préparé et des positions des excitations Rydberg, nous a permis de mesurer l’augmentation collective de la couplage optique dans le régime de blocage Rydberg, où une seule excitation est partagée de façon symétrique entre tous les atomes de la matrice.Dans le régime où l'interaction ne s’étend que sur quelques sites, nous avons mesuré la dynamique et les corrélations spatiales des excitations Rydberg, dans des matrices d’atomes à une et deux dimensions. La comparaison à une simulation numérique d'un modèle d'Ising quantique d'un système de spin-1/2 montre un accord exceptionnel pour les matrices où l'effet de l'anisotropie de l’interaction Rydberg-Rydberg est faible. Les résultats obtenus démontrent que les atomes Rydberg uniques sont une plate-forme bien adaptée pour la simulation quantique des systèmes de spin
In this thesis, we measure the coherent dynamics and the pair correlations of Rydberg excitations in two-dimensional arrays of single atoms.We use a spatial light modulator to shape the spatial phase of a single optical dipole trap beam before focusing it with a high numerical-aperture aspheric lens. By imprinting an appropriate phase pattern on the trap beam, we can create arbitrarily shaped and easily reconfigurable 2D arrays of high-quality single-atom traps, with trap-spacings of a few micrometers for up to 100 traps. The traps are loaded from a cloud of cold 87Rb atoms, and due to fast light-assisted collisions of atoms inside the traps, at most one atom can be present in each trap at the same time. A sensitive CCD camera allows the real-time, site-resolved imaging of the atomic fluorescence from the traps, enabling us to detect the presence of an atom in each individual trap with almost perfect accuracy.In order to induce strong, tunable interactions between the atoms in the array, we coherently laser-excite them to Rydberg states, which are electronic states with a high principal quantum number.An additional addressing beam allows the individual manipulation of an atom at a selected site in the array.The precise knowledge of both the prepared atom array and the positions of the Rydberg excitations allowed us to measure the collective enhancement of the optical coupling strength in the regime of full Rydberg blockade, where one single excitation is shared symmetrically among all atoms in the array.In the regime where the strong interaction only extends over a few sites, we measured the dynamics and the spatial pair-correlations of Rydberg excitations, in one- and two-dimensional atom arrays. The comparison to a numerical simulation of a quantum Ising model of a spin-1/2 system shows an exceptional agreement for trap geometries where the effect of the anisotropy of the Rydberg-Rydberg interaction is small. The obtained results demonstrate that single Rydberg atoms are a suitable platform for the quantum simulation of spin systems

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

Dans le premier chapitre de la thèse, nous étudions la possibilité d’améliorer le couplage opto- mechanique photon-phonon entre le mode de résonance d’une cavité Fabry-Pérot de haute finesse et les vibrations mécaniques des éléments diélectriques (membranes) à l’intérieur de la cavité. En introduisant un défaut quadratique dans la disposition des membranes, nous montrons que le deux couplages (linéaire et quadratique) augmentent. Enfin, nous proposons un modèle très simple avec lequel on cherche à simuler un cristal photonique quasipériodique. Dans le deuxième chapitre de cette thèse, nous présentons nos résultats de recherche sur le transport d’excitons à travers une cavité visant à augmenter l’efficacité du transport. Le modèle que l’on étudie est une chaîne unidimensionnelle d’atomes froids comprenant chacun deux niveaux énergétiques. Grâce au couplage entre exciton et photon, ces deux quanta s’hybrident et forment deux branches de polariton à l’intérieur de la cavité. Nous avons observé qu’à résonance avec un des deux modes de polariton, on peut transmettre l’exciton via le mode polaritonique dans un temps très court. En outre, le désordre n’affecte la propagation excitonique que de façon algébrique. Dans le troisième chapitre de cette thèse, nous présentons nos résultats de recherche sur la réalisa- tion d’interactions entre photons grâce à la médiation d’atomes ultrafroids piégés dans un réseaux optique unidimensionnelle et placés à l’intérieur d’une fibre à cristaux photoniques. Nous avons détecté un régime dans lequel on peut réaliser le “bunching” photon-photon.Dans le quatrième et dernière chapitre de cette thèse, nous étendons les résultats du chapitre précédent aux atomes de Rydberg
In the first chapter of this thesis, we study a quasiperiodic array of dielectric membranes inside a high-finesse Fabry-Pérot cavity. We work within the framework of the transfer matrix formal- ism. We show that, in a transmissive regime, the introduction of a quadratic spatial defect in the membrane positions enhances both the linear and quadratic optomechanical couplings between optical and mechanical degrees of freedom. Finally, we propose a theoretical model to simulate a one-dimensional quasiperiodic photonic crystal. In the second chapter of this thesis, we consider the problem of the transport of an exciton through a one-dimensional chain of two-level systems. We embed the chain of emitters in a transverse optical cavity and we show that, in the strong coupling regime, a ultrafast ballistic transport of the exciton is possible via the polaritonic modes rather than ordinary hopping. Due to the hybrid nature of polaritons, the transport efficiency is particularly robust against disorder and imperfections in the system. In the third chapter of this thesis, we consider an ordered array of cold atoms trapped in an optical lattice inside a hollow-core photonic crystal fiber. We study photon-photon interactions mediated by hard-core repulsion between excitons. We show that, in spite of underlying repulsive interac- tion, photons in the scattering states demonstrate bunching, which can be controlled by tuning the interatomic separation. We interpret this bunching as the result of scattering due to the mismatch of the quantization volumes for excitons and photons, and discuss the dependence of the effect on experimentally relevant parameters. In the fourth chapter of the thesis, we extend the results of the previous chapter to Rydberg atoms