Développement d'un système d'imagerie superrésolue d'un gaz d'atomes ultrafroids piégés dans des réseaux

Quantum mechanics was a revolution for microscopic systems understanding. However, the study of many-body systems remains a challenge because of computation complexity. Ultracold atoms trapped in lattices offer an alternative way to simulate condensed matter properties. Indeed, their behaviour is similar to the one of electrons in crystals.The common approach for generating optical lattices is to make two laser beams interefere so that we can get a stationary wave that reproduces the potential wells of the crystalline structure. In the new ongoing project, the lattices will be produced by modulation of Casimir-Polder forces nearby a nanostructured surface. Ultracold atoms trapped in a 2D lattice with a short lattice spacing (50 nm) will enable a better understanding of material properties (e.g. graphene).The work I have done during my thesis can be split into in four parts. The first one consisted in cooling Rubidium 87 until Bose-Einstein condensate regime. Then, numerical simulations were performed to set up a new subwavelength imaging technique, based on different couplings between atomic levels with a double lattice. This will make it possible to activate the sites selectively, in order to pinpoint the atoms with subwavelength precision. Moreover, a new imaging system was developped to improve the resolution of the atomic cloud images. I did new calculations in order to predict experimental results on adiabatic atomic transport in the near field of a surface. Finally, a new laser architecture was designed in this thesis, as part of CIFRE convention, in order to cool down potassium 40 atoms, which has to be done in the future.La mécanique quantique a révolutionné la compréhension du monde microscopique depuis son avènement au XXe siècle. Cependant, les propriétés de la matière condensée restent difficiles à étudier en raison d'une puissance de calcul insuffisante pour simuler numériquement les systèmes à N corps. Une approche alternative consiste à piéger des atomes froids dans des réseaux, dont le comportement est analogue à celui des électrons dans un cristal. Ce système modèle, dont les paramètres peuvent être contrôlés, permet de simuler les phénomènes étudiés.La technique usuellement employée pour confiner les atomes ultrafroids dans un réseau consiste à produire une onde stationnaire résultant de l'intérférence entre deux faisceaux contrapropageants. L'originalité du projet dans lequel s'inscrit cette thèse est de générer un potentiel sublongueur d'onde grâce à la modulation des forces de Casimir au voisinage d'une surface nanostructurée. Le confinement des atomes dans un réseau bidimensionnel avec une faible distance intersite (typiquement 50 nm) permettra ainsi de mieux appréhender les propriétés des matériaux, tels que le graphène.Le travail réalisé au cours de mon doctorat s'est ainsi articulé autour de quatre axes. Tout d'abord, le refroidissement d'atomes de Rubidium 87 a été effectué jusqu'à obtenir un condensat de Bose-Einstein. Puis, des simulations numériques ont été réalisées pour mettre en place une nouvelle méthode d'imagerie sublongueur d'onde, s'appuyant sur le couplage différencié des niveaux atomiques avec un double réseau. Ceci permettra d'activer de façon sélective les sites à détecter pour localiser les atomes avec une précision sublongueur d'onde. Un nouveau système d'imagerie a d'ailleurs été développé pour mieux résoudre les images des distributions atomiques. D'autre part, des simulations numériques ont été réalisées pour anticiper les résultats expérimentaux sur le transport adiabatique au voisinage d'une surface. Enfin, dans le cadre de ma convention CIFRE, une nouvelle architecture laser sera présentée, dans le but d'intéragir avec les atomes de potassium 40 qui seront à refroidir dans la suite du projet dans lequel s'inscrit ma thèse