Collective light scattering in arrays of dysprosium atoms

Diffusion de lumière collective dans des ensembles ordonnés d'atomes de dysprosium Cette thèse porte sur le développement d'une expérience de pince optique utilisant des atomes de dysprosium et sur la mise en œuvre de protocoles expérimentaux pour étudier la diffusion collective de la lumière. Lorsque les atomes sont excités par une lumière résonante, ils peuvent émettre des champs électromagnétiques qui médient les interactions dipôle-dipôle résonnantes entre eux. Lorsqu'elles sont suffisamment fortes, ces interactions modifient la réponse atomique au champ d'excitation. Pour atteindre ce régime, il faut des distances interatomiques comparables à la longueur d'onde optique. Ce travail présente les techniques expérimentales développées pour atteindre cet objectif.La première partie de la thèse décrit la plateforme expérimentale conçue pour piéger et imager pour la première fois des atomes de dysprosium individuels dans des réseaux de pinces optiques. Afin de permettre l'observation de la diffusion collective de la lumière, nous avons développé des méthodes permettant de confiner étroitement les atomes, réduisant ainsi le désordre positionnel, ce qui est une condition essentielle pour des interactions dipôle-dipôle contrôlables.En exploitant la complexité de la structure atomique du dysprosium, nous avons développé une méthode permettant de lire l'état interne de chaque atome dans le réseau. Cette capacité nous a permis d'étudier les effets à l'état stationnaire des interactions médiées par la lumière dans le régime optique linéaire et dans le régime non linéaire, où la nature à deux niveaux des atomes devient importante. Nous avons notamment mesuré les décalages de la fréquence de résonance atomique induits par les interactions dipôle-dipôle résonnantes. Tirant parti de la flexibilité des réseaux de pinces optiques, nous avons étudié comment la géométrie du système influence ces interactions. À l'aide de la spectroscopie de Ramsey, nous avons ensuite étudié la dynamique temporelle des décalages de fréquence.Afin d'obtenir des effets collectifs plus prononcés, nous nous sommes ensuite concentrés sur la réduction du désordre positionnel grâce au refroidissement par bande latérale sur une transition à largeur de raie étroite. Les performances de ce protocole de refroidissement ont été caractérisées en mesurant le nombre moyen d'occupations cinétiques à l'aide de la thermométrie Raman.La dernière partie de la thèse présente les améliorations apportées au dispositif expérimental, notamment l'installation d'un objectif de microscope à haute ouverture numérique (NA = 0.7) et l'ajout d'un deuxième réseau de pinces. Ces améliorations permettront de réaliser à l'avenir des expériences avec des séparations interatomiques bien inférieures à la longueur d'onde optique, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l'ingénierie des interactions lumière-matière.