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2

Remerciements

Tout d"abord, j"aimerais remercier les rapporteurs Frédéric Merkt et Michel Brune, qui

ont beaucoup apporté au manuscrit grâce à leur remarques pertinentes, et Hélène Perrin,

Arnaud Landragin et Éric Charron pour avoir accepté de faire partie du jury. Durant ces trois années de thèse, j"ai travaillé avec plusieurs personnes, qui ont contri- bué au développement de l"expérienceRydberg Ytterbiumet que j"aimerais remercier. En premier lieu, je remercie Pierre Pillet, mon directeur de thèse. Je remercie Patrick Chei- net, chercheur permanent sur l"expérience, pour toutes les choses qu"il m"a apprises en physique. Bonne chance pour la suite. Je remercie Alexandre, qui m"a précédé en tant que thésard sur l"expérience et à qui l"on doit, entre autres, le programme d"analyse MQDT. Et puis je remercie Wilfied, post-doc pendant mes deux premières années, qui m"a appris beaucoup de choses et avec qui on aura bien rigolé. J"aimerais aussi remercier les anciens stagiaires de M2 Emile et Xin qui ont aussi beaucoup apporté à l"expérience. Et puis je remercie tout les autres membres de l"équipe MFC : Daniel, Hans, Yan, Jacques, Anne, Élias, Alok, Mélissa, Colin et puis je souhaite bonne chance aux nouveaux thésards de l"équipe : Thibault et Raphaël -l"avenir est aux acharnés. Pour finir, merci à tous les

autres chercheurs du laboratoire Aimé Cotton qui ont contribué à ce travail de thèse, no-

tamment Eliane Luc-Koenig, qui a beaucoup apporté sur la MQDT, et Laurence Pruvost, qui nous a bien aidé sur la partie auto-ionisation. Bien sûr, je remercie tous les ingénieurs et techniciens de l"électronique, du bureau d"étude, de la mécanique et du service informatique : Alain, Jean-Paul, Élie, Bruno, Pas- cal, Jérôme, Michèle et tout ceux que j"oublie... Je remercie les doctorants Aurélien, Aliou, Hiba, Clément, Paul, Benjamin, Caro- line et tous les autres. Bonne chance pour la fin de votre thèse. Et puis, spéciale dédicace à la famille : mon neveu Marceau, mes soeurs Louise et Elisabeth, mon frère Joseph, mon papa et ma môman et aux amis Louis, Boris, Man- zano, Éric, CamCam, Margot, les Didgepones ... et à tous les autres. Et puis pour finir en beauté, merci à Antonine... 3 4

Table des matières

Glossaire et notations

7

Introduction générale

9

1 Éléments sur la physique des atomes de Rydberg

13

1.1 Eléments généraux sur les atomes de Rydberg

14

1.1.1 Fonctions d"onde et énergie des états de Rydberg : concept de défaut

quantique 14

1.1.2 Zoologie des propriétés des atomes de Rydberg

18

1.1.3 Revue de quelques expériences d"atomes de Rydberg

24

1.2 Atomes à deux électrons de valence et états de Rydberg

32

1.2.1 Éléments sur la spectroscopie des atomes divalents

32

1.2.2 L"excitation du coeur isolé

37

1.2.3 Perspective de l"expérienceRydberg Ytterbium. . . . . . . . . . . .42

2 Production d"un gaz froid d"atomes d"ytterbium dans des états de Ryd-

berg47

2.1 Production d"un nuage d"atomes froids d"ytterbium

48

2.1.1 Propriétés générales de l"atome d"ytterbium

4 8

2.1.2 Dispositif expérimental

50

2.1.3 Source atomique

51

2.1.4 Ralentissement Zeeman du jet atomique

53

2.1.5 Collimation du jet et chargement du MOT 3D

60

2.2 Excitation vers des états de Rydberg et détection

67

2.2.1 Excitation Rydberg

67

2.2.2 Détection des atomes de Rydberg : ionisation en champ

70

2.2.3 Automatisation de l"expérience

73

Conclusion et perspectives

75

3 Spectroscopie des états de Rydberg de l"ytterbium

7 7

3.1 La théorie du défaut quantique à plusieurs voies

78

3.1.1 Le modèle théorique MQDT

78

3.1.2 Formulations de la MQDT

81

3.1.3 Représentation de Lu-Fano des états liés

82

3.1.4 Le programme d"analyse numérique MQDT

83

3.2 Spectroscopie optique des séries6snset6snd. . . . . . . . . . . . . . . .86

3.2.1 Dispositif expérimental pour les mesures spectroscopiques

87

3.2.2 Mesure et analyse des spectres

89

3.2.3 Évaluation de l"incertitude de mesure

91
5

TABLE DES MATIÈRES

3.2.4 Résultats et analyses MQDT

95

3.3 Spectroscopie micro-onde des séries6snpet6snf. . . . . . . . . . . . . .102

3.3.1 Dispositif expérimental micro-onde

102

3.3.2 Analyse du signal et des spectres

1 03

3.3.3 Identification des états par mesure du facteur de Landé

106

3.3.4 Résultats et analyses MQDT

108

Conclusion et perspectives

115

4 Manipulations optiques dans l"état de Rydberg : étude de l"excitation

du coeur isolé dans l"ytterbium 117

4.1 L"excitation du coeur isolé

118

4.1.1 Le modèle à électrons indépendants

119

4.1.2 Calcul des déplacements d"énergie de niveaux du coeur ionique dans

les états de Rydberg de grand moment orbital 120

4.1.3 Calcul des taux d"auto-ionisation

124

4.2 Étude expérimentale de l"excitation du coeur isolé dans l"ytterbium

127

4.2.1 Dispositif expérimental

127

4.2.2 Création des états de Rydberg del >4, technique du Stark-Switching129

4.2.3 Spectre d"auto-ionisation par excitation optique du coeur isolé

133

4.2.4 Étude de l"auto-ionisation des états de faible moment orbital

136

4.2.5 Étude de l"auto-ionisation des états de grand moment orbital

139

4.3 Perspectives : piégeage optique des atomes de Rydberg

146

4.3.1 Force optique et polarisabilité dynamique des lasers

146

4.3.2 Le cas particulier des Rydberg, calcul des longueurs d"onde magiques

147

Conclusion

151

Conclusion générale

153

Annexe

155
.1 Constantes 155
.1.1 L"atome Yb 174 155
.1.2 L"ion Yb +174. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
.2 Données de spectroscopie Rydbergquotesdbs_dbs4.pdfusesText_8