Spectroscopie de bruit de spin dans l'hélium métatable

This PhD thesis mainly addresses the spin noise spectroscopy of metastable helium.We report for the first time the measurement of spontaneous spin noise of metastable helium atom ensemble using non-invasive spin noise spectroscopy.We utilize an off-resonant laser to investigate the random fluctuations of the Zeeman states of the ground level of metastable helium with a mild magnetic field of approximately 1 Gauss. Moreover, we examine the changes in the spectral pattern when the probe approaches the resonance.We investigate the two main types of polarization noise of the probe, namely Faraday rotation noise and ellipticity noise. To replicate the experimental spin noise signal qualitatively and quantitatively, we construct a simulation model that performs well even near resonance.After the investigation of simpler level structure of metastable helium transition line, we extend spin noise spectroscopy to the transition lines with more complicated structures.Our simulation results are consistent with the experimental findings, which are distinct from those obtained using the simpler level structure. To explain the SNS pattern's characteristics near different transition lines, we have developed a comprehensive theoretical model based on the superposition states theory.We then investigate the correlation between Faraday rotation noise and ellipticity noise. Using the eight noise modes of spin-1, we are able to explain the correlation under different conditions. Additionally, we study the effect of magnetic field noise on the SNS pattern. The magnetic field noise is found to alter the noise spectra pattern, and the eight noise modes theory is able to well explain this phenomenon well.This PhD work mainly serves as proof of principle. The simple level structure of metastable helium provids an ideal model to study the phenomenon of spin noise spectroscopy in spin-1 systems. These findings provide a new perspective to understand SNS and the characterization of spin-1 systems, which can aid further research in this area.Cette thèse porte principalement sur la spectroscopie de bruit de spin de l'hélium métastable.Nous rapportons pour la première fois dans cette thèse la mesure du bruit de spin spontané d'un ensemble d'atomes d'hélium métastable en utilisant la spectroscopie de bruit de spin non invasive.Nous utilisons un laser hors résonance pour étudier les fluctuations aléatoires des sous-niveaux Zeeman du niveau métastable de l'hélium sous un champ magnétique relativement faible d'environ 1 Gauss. De plus, nous examinons les changements dans le spectre lorsque la sonde s'approche de la résonance.Nous étudions les deux principaux types de bruit de polarisation de la sonde, à savoir le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. Pour reproduire qualitativement et quantitativement le signal de bruit de spin expérimental, nous construisons un modèle de simulation qui fonctionne bien même près de la résonance.Après l'étude de la transition la plus simple de l'hélium métastable, nous étudions la spectroscopie de bruit de spin aux transitions de l'hélium métastable avec des structures plus compliquées.Nos résultats de simulation sont cohérents avec les résultats expérimentaux, qui sont distincts de ceux obtenus en utilisant la structure de niveau la plus simple. Pour expliquer les caractéristiques du SNS près des différentes transitions, nous avons développé un modèle théorique complet basé sur le modèle d'états de superposition.Nous avons ensuite étudié la corrélation entre le bruit de rotation de Faraday et le bruit d'ellipticité. En utilisant les huit modes de bruit du spin-1, nous sommes capables d'expliquer les corrélations dans différentes conditions. De plus, nous avons étudié l'effet du bruit du champ magnétique sur le modèle SNS. On a constaté que le bruit du champ magnétique altérait le spectre de bruit, et la théorie des huit modes de bruit est capable d'expliquer correctement ce phénomène.Ce travail de thèse sert principalement de preuve de principe. La structure de niveaux simple de l'hélium métastable a fourni un modèle idéal pour étudier le phénomène de spectroscopie de bruit de spin dans les systèmes de spin-1. Ces résultats offrent une nouvelle perspective pour comprendre le SNS et la caractérisation des systèmes de spin-1, ce qui peut aider à poursuivre les recherches dans ce domaine