Soutenance mémoire
La mécanique quantique décrit des comportements étranges, très différents de ceux que nous observons habituellement, et prédit l’existence de phénomènes exotiques considérés comme impossibles dans une description classique du monde. La réponse habituelle à l’épineuse question « Qu’est-ce donc que la mécanique quantique ? », qui demande au préalable une définition du champ d’application de cette théorie, consiste à instaurer une distinction entre le monde microscopique des particules subatomiques et le monde macroscopique dans lequel nous évoluons : il faut ainsi adopter une approche quantique pour étudier de petits systèmes, composés d’un faible nombre de particules élémentaires, tandis que la physique classique est adaptée à la description de grands systèmes qui en contiennent un nombre important. Cette théorie est pourtant née à l’aube du XXe siècle d’expériences de pensée et de raisonnements théoriques dont les fondements empiriques sont intégralement basés sur l’étude de systèmes macroscopiques. Des expériences fondatrices de Thomson [1] et de Stern et Gerlach [2] à l’étude du spectre de rayonnement d’un corps noir [3] ou la mise en évidence de la nature ondulatoire de l’électron [4], l’intégralité des démonstrations expérimentales de phénomènes quantiques s’appuie sur des effets statistiques et repose sur l’observation du comportement d’un très grand nombre de particules. Les avancées théoriques en mécanique quantique dessinent un univers déconcertant peuplé d’objets surprenants qui mettent à mal notre intuition classique et remettent en question des principes fondamentaux de la physique. Les prédictions sur le comportement d’une particule unique sont inaccessibles à l’expérience et souvent considérées comme des questions purement théoriques, qualifiées de « conséquences ridicules » par Erwin Schrödinger en 1952 [5] : il faut attendre la fin du XXe siècle pour que ces résultats soit observés en laboratoire avec les premières expériences d’intrication quantique [6, 7] qui viennent apporter une réponse empirique au paradoxe d’Einstein, Podolsky et Rosen [8].
Atomes froids
L’invention du laser en 1960 [33] et les progrès très rapides de cette technologie au cours de la seconde moitié du XXe siècle ont donné lieu à de multiples applications variées, allant de la médecine à la lecture de disques optiques. La capacité de produire un rayonnement monochromatique et cohérent a également révolutionné la physique atomique en conférant aux expérimentateurs des outils de contrôle des états internes et externes des atomes. Le développement du refroidissement des atomes neutres par effet Doppler à des températures extrêmement basses [34-36], puis leur capture dans un piège magnéto-optique [37], a valu le prix Nobel de physique en 1997 à Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji et William D. Phillips. Les techniques de piégeage conservatif par interaction magnétique [38] ou dipolaire [39] ont également permis la production expérimentale de condensats de Bose-Einstein [40, 41], récompensée par un prix Nobel en 2001, octroyé à Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl E. Wieman. Le refroidissement et la manipulation d’atomes neutres à l’aide de faisceaux laser sont des outils de choix pour explorer le monde quantique. L’étendue très vaste de leurs applications va de la métrologie, avec les horloges [42] et les gravimètres [43] atomiques par exemple, à l’étude de phénomènes quantiques collectifs comme les états topologiques non triviaux [44] ou la localisation d’Anderson [45]. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour capturer un atome unique. Une première solution est de produire un isolant de Mott dans un réseau optique [46, 47], au sein duquel chaque site est occupé par exactement un atome. Une autre approche, rendue possible par le phénomène de blocage collisonnel [48], consiste à isoler un atome unique dans une pince optique, c’est-à-dire un faisceau de piège dipolaire très focalisé. Ces techniques rendent possible la capture et le contrôle individuel de plusieurs atomes uniques, et plusieurs expériences ont démontré récemment la capacité de manipuler individuellement plusieurs dizaines d’atomes [49, 50].
Nécessaires pour manipuler individuellement un atome dans un réseau ou une pince optique [51, 52], les systèmes d’imagerie de haute résolution connaissent de nombreuses autres applications et sont des éléments très courants des expériences d’atomes froids [53, 54]. La limite fondamentale imposée par la diffraction de la lumière sur la résolution d’un dispositif optique astreint à utiliser un système de grande ouverture numérique proche des atomes, qui occupe un angle solide important autour d’eux. La question de l’encombrement spatial peut alors rapidement devenir problématique lors de la conception d’un système expérimental. C’est en particulier le cas lorsque d’autres éléments sont installés autours des atomes comme des cavités Fabry-Perot [55, 56], ou lorsque ceuxci sont manipulés à un endroit d’accessibilité limitée comme à la surface d’une puce électronique [57].
Fibres optiques multimodes
Le développement des techniques de production de fibres optiques, récompensé en 2009 par un prix Nobel attribué à Charles Kao, s’est effectué simultanément à celui du laser et constitue également une avancée scientifique majeure passée très rapidement à des applications industrielles à grande échelle, principalement en raison de l’essor des télécommunications. Par réflexion totale sur l’interface entre le cœur et la gaine, un faisceau lumineux peut être piégé à l’intérieur d’une fibre optique qui agit comme un guide d’onde flexible capable de transporter de la lumière sur de très grandes distances, quasiment sans pertes.
Si l’intérêt pour le transport d’information à très vite été compris, cette technologie a également su trouver sa place dans les laboratoires d’optique, en particulier grâce aux fibres dites monomodes qui se sont imposées en quelques décennies comme des composants essentiels des expériences d’optique. Il s’agit d’une fibre optique suffisamment fine pour présenter la propriété de ne laisser qu’un seul mode spatial se propager [58]. Quelle que soit la façon dont un faisceau est injecté dans une telle fibre, la lumière qui en sort de l’autre côté est toujours produite dans le même mode, avec la même distribution spatiale. Cette particularité permet le découplage de différentes parties d’un système optique : un désalignement du dispositif situé en amont d’une fibre monomode peut se traduire par une baisse de la puissance couplée à l’intérieur, mais ne peut pas avoir d’impact sur la forme ou la position du faisceau qui en sort. Les fibres optiques monomodes constituent un élément clef de la complexification des expériences de manipulation d’atomes froids, en ce sens qu’elles permettent la réalisation de dispositifs optiques bien plus complexes qu’en espace libre.
Les fibres optiques de diamètres plus élevés ne possèdent plus cette caractéristique et sont dites multimodes [59] : la lumière introduite à une extrémité produit de l’autre côté un faisceau qui forme un motif compliqué, parfois qualifié de tavelure, ou plus souvent de speckle en utilisant le terme anglais [60]. Ce motif, généré par l’interférence des différents modes propres de la fibre qui se propagent à des célérités différentes, dépend fortement des conditions d’injections de la lumière ainsi que des paramètres physiques de la fibre elle-même, comme sa courbure, sa température, ou encore ses contraintes mécaniques internes. Il est théoriquement possible de déterminer ces modes propres et de décrire ainsi la propagation d’un faisceau, mais une telle modélisation est irréaliste tant sur le plan mathématique qu’au regard de la précision avec laquelle il faudrait déterminer les conditions expérimentales. Le monde de sortie dépend du faisceau injecté. Il n’en demeure pas moins qu’il reste difficile de contrôler la forme du faisceau en sortie de fibre, de même qu’il est compliqué d’inférer le mode injecté dans la fibre de la donnée de la figure du speckle, qui paraît aléatoire.
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Table des matières
Introduction
1. Formation d’un nuage d’atomes froids
1.1. Système à vide
1.1.1. Pompes et enceintes
1.1.2. Installation de la fibre optique
1.1.3. Mise sous ultra-vide
1.2. Piège magnéto-optique
1.2.1. Refroidissement et piégeage
1.2.2. Dispositif expérimental
1.2.3. Caractérisation
2. Transport d’atomes dans un réseau mobile
2.1. Piégeage dipolaire
2.1.1. Potentiel attractif et taux de chauffage
2.1.2. Déplacement d’un piège croisé
2.1.3. Réseau optique mobile
2.2. Conjugaison de phase numérique
2.2.1. Théorie
2.2.2. Mesure d’un champ complexe
2.2.3. Modulation de front d’onde
2.2.4. Télescope afocal
2.3. Résultats
2.3.1. Mode reconstruit
2.3.2. Transport
3. Imagerie à travers une fibre multimode
3.1. Cadre théorique
3.1.1. Modes de propagation et matrices de diffusion
3.1.2. Matrice de transmission
3.1.3. Mise en forme d’un faisceau
3.1.4. Reconstruction d’une image
3.2. Génération des modes d’entrée
3.2.1. Matrices de micro-miroirs
3.2.2. Correction des aberrations
3.2.3. Caractérisation du dispositif
3.3. Mesure du champ proximal
3.3.1. Interférométrie à décalage de phase
3.3.2. Holographie hors axe
3.3.3. Approches non interférométriques
3.3.4. Application aux atomes froids
3.4. Mise en œuvre
3.4.1. Système optique
3.4.2. Caractérisation de la fibre multimode
3.4.3. Images d’un nuage d’atomes
4. Piégeage et manipulation atomique
4.1. Formation d’un micro-piège
4.1.1. Génération du potentiel
4.1.2. Transfert des atomes
4.2. Détection par inversion numérique
4.2.1. Spectroscopie des atomes piégés
4.2.2. Mesure de température
4.2.3. Images tridimensionnelles
4.3. Détection par inversion analogique
4.3.1. Montage expérimental
4.3.2. Efficacité de détection
4.3.3. Mesures d’absorption et de fluorescence
4.4. Refroidissement des atomes à travers la fibre
4.4.1. Production des faisceaux de mélasse
4.4.2. Détection transverse de la fluorescence
Conclusion
