Long-lived collective modes of light in cold atoms : experimental and numerical studies on subradiance and Anderson localization

L'objectif de cette thèse est d'élargir notre compréhension des phénomènes collectifs de diffusion de la lumière qui se manifestent par la forte suppression du rayonnement du milieu diffusant. En particulier, nous nous intéressons à la sous-radiance, un effet collectif de l’émission spontanée, qui, du fait du couplage dissipatif des atomes via des modes électromagnétiques communs, crée des modes d'excitation longue durée de vie dans un ensemble d'atomes froids, avec des durées de vie beaucoup plus longues que celles d’atomes individuels. Auparavant, la sous-radiance avait été bien caractérisée pour des ensembles d’atomes froids dilués et dans la limite de faible intensité du laser d'excitation (régime de l'optique linéaire). Dans cette thèse, nous étudions ce phénomène collectif au-delà de l'optique linéaire et du régime dilué.Pour étudier expérimentalement la sous-radiance au-delà du régime de l'optique linéaire, nous avons fait varier le paramètre de saturation du laser d'excitation jusqu'à des valeurs relativement importantes et nous avons observé l'augmentation de la population sous-radiante avec l'augmentation du paramètre de saturation. Plus important encore, nous avons identifié une loi d’échelle super-linéaire de la population sous-radiante au-delà du régime de l’optique linéaire, en raison d’un processus similaire au pompage optique via des états super-radiants multi-excités. Cette étude a montré que l'augmentation de l'intensité du laser de pilotage au-delà du régime de l'optique linéaire permet de surmonter le faible couplage des modes sous-radiants avec l’environnement.De plus, nous avons étudié numériquement la sous-radiance en utilisant le modèle vectoriel des dipôles couplés, en mettant l'accent sur la compréhension de l'effet de l'interaction dipôle-dipôle en champ proche. Pour cela, nous avons comparé en détail les modèles vectoriel et scalaire (qui ne contient pas de termes d'interaction en champ proche) et étudié la durée de vie sous-radiante en fonction de la densité et de l'épaisseur optique du nuage d'atomes froids. Nous avons observé que les termes de champ proche sont préjudiciables à la sous-radiance, ce qui se manifeste par la réduction des durées de vie sous-radiantes avec l'augmentation de la densité. Ce caractère néfaste des termes de champ proche peut être interprété comme étant dû à un élargissement inhomogène effectif induit par l'interaction en champ proche, qui réduit les durées de vie sous-radiantes lorsque la densité augmente.Le caractère néfaste de l'interaction en champ proche a également été précédemment identifié numériquement pour la localisation d'Anderson des ondes lumineuses (la localisation d'Anderson est un phénomène ondulatoire en diffusion multiple cohérente dans un milieu fortement diffusant, qui entraîne l'arrêt du transport diffusif ; il donne également des modes à longue durée de vie) : le modèle scalaire des dipôles couplés prédit la localisation des ondes lumineuses, mais pas le modèle vectoriel. Cependant, l'ajout d'un champ magnétique suffisamment fort permet de récupérer les modes localisés pour la lumière vectorielle. Dans ce contexte, nous avons étudié numériquement une possible signature de la localisation d'Anderson de la lumière dans les atomes froids, basée sur la mesure des fluctuations d'intensité de la lumière diffusée. Nous avons montré qu'à la transition vers le régime localisé, les fluctuations sont augmentées. En particulier, pour la lumière vectorielle, nous avons démontré l'absence, et l’apparition, de fluctuations d'intensité accrues sans, et avec, le champ magnétique appliqué, ce qui corrobore que les fluctuations d'intensité pourraient servir de moyen expérimental pour sonder les états localisés.The objective of this thesis is to expand our understanding of collective light-scattering phenomena, which manifest themselves in the strong suppression of radiation from the scattering medium. In particular, we are interested in subradiance, a collective effect in spontaneous emission which, as a result of the dissipative coupling of atoms through common electromagnetic modes, creates long-lived excitation modes in an ensemble of cold atoms, with lifetimes much longer than those of individual, isolated atoms. Previously, subradiance had been well-characterized for dilute cold-atom scattering media and the low-intensity limit of the driving laser (linear-optics regime). In this thesis, we study this collective phenomenon beyond the linear-optics and dilute regimes.To study experimentally subradiance beyond the linear-optics regime, we varied the saturation parameter of the excitation laser up to relatively large values and we have observed the increase of the subradiant population with increasing saturation parameter. More importantly, we have identified the super-linear scaling of the subradiant population beyond the linear-optics regime, due to a process similar to optical pumping via multi-excitation superradiant states. This study showed that the increase in the intensity of the driving laser beyond the linear-optics regime can overcome the weak coupling of subradiant modes with the external world.Moreover, we have numerically studied subradiance using the vectorial coupled-dipole model, with a focus on understanding the effect of the near-field dipole-dipole interaction. For that, we extensively compared the vectorial and scalar (which does not contain near-field interaction terms) models and studied the subradiant lifetime as a function of the density and optical thickness of the cold-atom cloud. We observed that the near-field terms are detrimental for subradiance, which was seen in the reduction of the subradiant lifetimes with increasing density. This detrimental character of near-field terms can be interpreted as being due to an effective inhomogeneous broadening induced by the near-field interaction, which reduces the subradiant lifetimes as the density increases.The detrimental character of near-field interaction has also been previously numerically identified for Anderson localization of light waves (Anderson localization is a coherent multiple-scattering wave phenomenon in a strongly scattering medium that results in a cessation of a diffusive wave transport; it also yields long-lived modes): the scalar coupled-dipole model predicts Anderson localization of light waves, but not the vectorial one. However, adding a strong magnetic field allows one to recover localized modes for vectorial light. In this context, we numerically studied a possible signature of Anderson localization of light in cold atoms, based on the measurement of intensity fluctuations of the scattered light. We have shown that at the transition to the localized regime, the fluctuations are enhanced. In particular, for vectorial light, we have demonstrated the absence and recovery of enhanced intensity fluctuations without and with the applied magnetic field, which further corroborates that the intensity fluctuations could serve as an experimental way to probe the localized states