Mouvement et dissipation dans une cavité gravitationnelle pour atomes de césium

Abstract

In the first part of the thesis, we study the motion of atoms in a gravitational cavity. The central element of this cavity is the atomic mirror, formed by an evanescent wave propagating at the surface of a prism of glass. We investigate the expected properties of the mirror and we discuss the losses related to spontaneous emission during the bounce. We then present and analyse our experimental results. In the second part of the thesis, we investigate both theoretically and experimentally an elementary Sisyphus process occuring during the reflection of an atom onto the mirror. This atom may undergo a spontaneous Raman transition between its two hyperfine levels, which leads to an efficient cooling. This cooling allows us to observe very long lifetime in our gravitational cavity. In the third part of the thesis, we investigate theoretically a trap formed by two laser evanescent waves, which confine the atoms in a Morse potential along the direction perpendicular to the prism. We consider a loading process of this trap based on the Sisyphus process previously exposed. We show that it is possible to achieve in this way an efficient loading of the ground state of the Morse potential, and to get thus a quasi bi-dimensional atomic gas at the surface of the dielectric. We then briefly discuss the quantum statistical properties of this gas at very low temperature.La première partie de ce mémoire est consacrée à l'étude d'une cavité gravitationnelle pour atomes de césium. L'élément principal de cette cavité est le miroir à atomes, formé d'une onde évanescente se propageant à la surface d'un prisme de verre. Une étude détaillée des propriétés du miroir et en particulier des phénomènes d'émission spontanée lors du rebond est menée. Les résultats expérimentaux obtenus dans notre groupe sont alors présentés et analysés. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'un processus Sisyphe élémentaire susceptible d'intervenir lors du rebond d'un atome sur le miroir. Lors de ce processus, une transition Raman spontanée entre les deux niveaux hyperfins de l'atome entraine un refroidissement particulièrement efficace. Ce refroidissement nous a permis l'observation de longs temps de vie dans la cavité gravitationnelle. Dans la troisième partie de ce mémoire, plus théorique, est proposé un mécanisme de chargement d'un gaz bidimensionnel d'atomes, mécanisme qui repose sur un processus Sisyphe semblable à celui étudié dans la partie précédente. Les atomes du gaz sont piégés au voisinage du prisme sur le niveau fondamental d'un potentiel de Morse réalisé à l'aide de deux ondes évanescentes. Nous montrons que ce mécanisme permet un chargement efficace du piège, et discutons brièvement des propriétés de statistique quantique attendus dans ce gaz bidimensionne