Optical control of light transport in a cold ytterbium atomic cloud

Contrôle optique du transport de la lumière dans un nuage d'atomes d'ytterbium froids L'objectif de l'expérience est de démontrer le phénomène tant attendu de la localisation d'Anderson, qui implique la suppression complète du coefficient de diffusion dans un système fortement désordonné en raison de l'interférence destructive entre plusieurs ondes partielles diffusées par le désordre. La démonstration de la localisation nécessite, comme condition préalable, une connaissance précise des propriétés de transport de la lumière. Par conséquent, la mesure de la diffusion de la lumière dans un ensemble atomique contrôlé et bien caractérisé constitue un pont essentiel vers les études de localisation. Cette thèse explore l'interaction de la lumière au sein d'avec un ensemble atomique froid et optiquement dense d'atomes d'ytterbium (Yb). Elle se concentre sur deux aspects principaux : le contrôle des états atomiques à l'aide de champs optiques spécialement conçus, et le transport de la lumière dans des milieux fortement diffusants. La première partie décrit l'optimisation et la caractérisation d'un piège magnéto-optique (MOT) à largeur de raie étroite, fonctionnant sur la raie d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ à 556 nm. Nous commençons par motiver le choix de l'Yb et tirons parti de sa raie d'intercombinaison étroite, qui offre une voie alternative et très efficace, par rapport aux atomes alcalins, pour atteindre des températures ultra-froides en chargeant un piège magnéto-optique (MOT) en deux étages. La caractérisation du MOT démontre des températures de nuages atomiques aussi basses que 14 μK, avec un nombre d'atomes de l'ordre de 5 * 10⁸. La densité optique maximale sur la transition ³P₁ atteint des valeurs allant jusqu'à 100, suffisantes pour entrer dans le régime de diffusion multiple. Nous présentons ensuite le contexte théorique et l'observation expérimentale des décalages lumineux dans les atomes froids de ¹⁷⁴Yb. La mise en œuvre de décalages lumineux accordables comme outil pour manipuler la structure de l'état interne et démontrer avec succès le contrôle indépendant des sous-niveaux magnétiques m = ±1,0 de l'état ³P₁ sans avoir besoin d'un champ magnétique externe. En nous appuyant sur ce mécanisme, nous démontrons un analogue entièrement optique de l'effet Faraday. Nos observations confirment l'émergence de la biréfringence et de la rotation de polarisation à la suite d'un habillage optique différentiel, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives. Enfin, nous avons introduit une nouvelle méthode expérimentale permettant de préparer directement l'excitation optique in situ au cœur de notre échantillon atomique optiquement dense d'Yb, ce qui a permis d'observer directement l'évolution spatiale cette excitation et sa dynamique temporelle en mesurant la population des différents états internes. Nous avons extrait les paramètres de diffusion en nous affranchissant des effets de bord du nuage, ce qui nous a permis d'obtenir une image plus complète du transport de la lumière dans des ensembles denses et optiquement épais. Les résultats valident non seulement les modèles théoriques, mais ouvrent également la voie à un contrôle précis des interactions lumière-matière dans des systèmes quantiques complexes. Dans l'ensemble, ces travaux établissent de nouvelles méthodes pour contrôler, sonder et comprendre les interactions lumière-matière dans des ensembles atomiques ultra-froids optiquement denses. L'effet Faraday induit optiquement offre un accès réglable et sans champ magnétique à la biréfringence atomique, tandis que l'étude in situ de la propagation de la lumière permet de contrôler la fréquence des photons qui se propagent dans l'ensemble dense.