Mechanical effects of dipolar interaction between Rydberg atoms probed by microwave spectroscopy

Les énergies typiques de l’interaction dipolaire entre atomes de Rydberg sont plusieurs ordres de grandeur au-dessus des énergies d’interaction d’atomes et molécules dans le niveau fondamental. Une échelle de distance de plusieurs micromètres découle de cette interaction, ce qui est à l’origine du phénomène de blocage dipolaire, ou la suppression d’excitations d’atomes de Rydberg dans des nuages atomiques denses. Dans une première partie de cette thèse, nous étudions l’application de ce phénomène à l’excitation déterministe d’un atome unique à partir d’un condensat de Bose-Einstein piégé magnétiquement devant une puce à atomes. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’interaction dipolaire d’ensembles denses d’atomes de Rydberg par spectroscopie microonde des transitions vers les niveaux de Rydberg proches en énergie. Ces ensembles sont créés par excitation laser à partir d’un nuage froid d’atomes de Rb87 dans l’état fondamental. Les spectres des transitions microonde sont élargis et déplacés par l’interaction dipolaire. L’étude de ces spectres permet ainsi d’inférer plusieurs aspects de la distribution spatiale des atomes de Rydberg créés, ce qui révèle différents processus d’excitation selon que la lumière laser est à résonance ou désaccordée. L’évolution mécanique du nuage d’atomes de Rydberg en fonction de leur interaction répulsive a aussi été observée, grâce à une série de spectres microonde à différents délais de l’excitation. Nous montrons ainsi que, pour des échelles temporelles supérieures à 10µs, leur mouvement doit être pris en compte pour la compréhension de la dynamique d’excitation de Rydberg dans des nuages atomiques denses.The typical energy scales that arise from dipolar interaction between Rydberg atoms are orders of magnitude bigger than those related to the interaction between atoms and molecules at the ground level. A length scale of several micrometres stems from that strong interaction, which is the cause of the so-called dipole blockade effect, or the suppression of excitation of Rydberg atoms within dense atomic clouds. In the first part of this thesis, we study the possibility of using this effect to the deterministic excitation of a single atom within a Bose-Einstein condensate in a magnetic trap created on an atom chip. In a second part, we study the dipolar interaction of Rydberg atoms in dense ensembles, through microwave spectroscopy of transitions between Rydberg levels close in energy. These ensembles are created by laser excitation of Rb87 atoms initially in the ground level, trapped in a dense, cold cloud. The spectra of the microwave transitions are broadened and shifted, due to dipolar interaction. The study of these spectra then allows to infer several aspects of the spatial distribution of the Rydberg atoms, which reveals different excitation processes depending whether the laser light is in resonance or shifted with respect to the Rydberg transition. The mechanical evolution of the Rydberg atom cloud as a function of their mutual repulsive interaction was also observed, by performing microwave spectroscopy at different delays from the laser excitation. By these observations we show that, for time scales bigger than 10µs, their movement must be taken into account if one wants to understand the dynamics of the Rydberg excitation in dense atomic clouds