Refroidissement par bandes latérales d'atomes de Cesium et quelques applications

In the experiment presented in this thesis, Cesium atoms were trapped in a non-dissipative, intensity lattice produced by two Nd:YAG laser beams. Vertically, atoms are confined in independent micro-planes at each intensity maximum. The gaussian shape of the beams provides the horizontal confinement. Thanks to the strong vertical confinement, we could develop an optical sideband cooling method which accumulates about 95\% of the atoms in the ground state of the vertical motion. From this state, which is almost pure, we prepared other pure quantum states and, using an absoption imaging technique, we visualized directly their velocity distribution. First, we produced the first excited state of motion whose velocity distribution is zero for $v=0$. We also produced non stationary states and visualized the temporal evolution of their velocity distribution. In this way, the evolution of a superposition of the first two vibrationnal states and that of squeezed states have been recorded. Squeezed states are, as the ground state, minimum uncertainty states ($\Delta p \Delta z=\hbar/2$), but their velocity distribution is narrower than that of the ground state. A compression of the velocity distribution by a factor 4 has been obtained. By applying the cooling of the vertical motion for a long time, thanks to the energy transfer from the horizontal to the vertical direction provided by the collisions, we cooled the movement in all three directions. In this way, we obtained a temperature $T \simeq 3\,\mu$K for which 80\% of the atoms are in the ground state of the vertical movement. The gas thus realized is pratically a two-dimensionnal gas. Finally, the study of thermalization showed that the scattering resonnance at zero energy of Cesium is not affected by the strong vertical confinement.Les expériences présentées dans ce mémoire ont été effectuées sur des atomes de Césium piégés dans un réseau lumineux non dissipatif produit par deux faisceaux d'un laser Nd:YAG. Verticalement, les atomes sont confinés dans des micro-puits indépendants au fond de chaque maximum d'intensité et le confinement horizontal est assuré par la forme gaussienne des faisceaux. Le fort confinement vertical nous a permis, en mettant au point un refroidissement optique par bandes latérales, d'accumuler environ 95% des atomes dans l'état fondamental du mouvement dans la direction verticale. A partir de cet état quantique pratiquement pur, nous avons produit d'autres états quantiques et, grâce à une technique d'imagerie en absorption, nous avons visualisé directement leur distribution en vitesse. Tout d'abord, nous avons réalisé le premier état excité du mouvement des atomes dont la distribution en vitesse s'annule en v=0. Nous avons ensuite réalisé des états non stationnaires du mouvement et visualisé l'évolution temporelle de leur distribution en vitesse. Ainsi, l'évolution d'une superposition des deux premiers niveaux vibrationnels et celle d'états comprimés ont été enregistrées. Les états comprimés sont, comme l'état fondamental, des états d'incertitude minimum (Delta p Delta z=\hbar/2) mais leur distribution en impulsion est plus fine que celle de l'état fondamental. Une réduction d'un facteur 4 a été obtenue. En appliquant le refroidissement du mouvement vertical pendant un temps long, grâce au transfert d'énergie du mouvement horizontal au mouvement vertical assuré par les collisions, nous avons refroidi le mouvement dans les trois directions. Nous avons ainsi obtenu une température d'environ 3 microKelvin pour laquelle 80\% des atomes sont dans l'état fondamental du mouvement vertical. Enfin, une étude de temps de thermalisation montre que la résonnance de diffusion à énergie nulle du Cesium n'est pas affectée par le fort confinement vertical