Creation and characterization of non-classical states for quantum atom optics
Création et étude de sources d'états non classiques pour l'optique atomique quantique
Résumé
We report the results of few experiments on ultra-cold gases of metastable helium which tackle two topics : quantum atom optics and collisional properties between different spin-states. The first bunch of studies presented in this thesis have been carried out on a set of correlated atom pairs created by collision between two Bose-Einstein condensates which might be seen as an analogous of parametric down conversion in quantum photon optics. Contrary to an ideal s-wave scattering distribution, however, we find that the scattered halo is not uniform and spherical, but instead has an angle dependent thickness and radius due to the interactions between atoms. In addition, by considering opposing regions of the halo, we observe relative number squeezing whereas relative atom number distributions between nonopposing regions show a poissonnian behaviour. This leads us to believe that the quantum states of the correlated pairs are not only inherently fascinating , but they also have the potential to improve sensitivity in atom interferometers. Moreover, these pairs should be entangled and are thus well suited to investigations of (nonlocal) EPR entanglement and Bell's inequalities using atoms. Then, we give a detailed description of our new optical trap which permits us to best match the resolution characteristics of our delay-line anode microchannel plate detector capable of registering single atoms in the three dimensions of the space. We also confirm the stability of certain spin-state combinations of metastable helium to two-body inelastic processes, which gives the scope of future experiments using optically trapped spin mixtures.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.