Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel. Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température. Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique. Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace. En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’électrodynamique quantique, l’invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie. Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur. Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris. Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.

Physicists know how to produce gases at a few billionths of a degree above absolute zero. The cooling methods apply not only to atoms but also to ions and molecules. This field of research has three times been awarded the Nobel Prize. The field experienced remarkable growth when experimentalists learned how to vary at will the interactions between particles, trapping them with optical tweezers or in optical gratings with adjustable geometry. Artificial crystals made of atoms or molecules can be built to simulate the structure of matter and elucidate some of its magnetic properties, hopefully contributing to the understanding of high-temperature superconductivity. The phenomenon of quantum entanglement is the basis for new devices for the storage and transmission of quantum information. Spectacular progress is constantly being made in metrology. For example, ultra-cold atom or ion clocks measure time to better than one second over the lifetime of the Universe. New types of industrial gravimeters and gyroscopes are improving the sensitivity of seismology and navigation in space. In addition, the extreme precision of the measurements allows tests of the fundamental laws of physics, such as quantum electrodynamics, Lorentz invariance or possible variations of the fundamental constants. The field of ultra-cold particles has now reached the stage where it provides insights in the fields of condensed matter, chemistry and even cosmology.

Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec un condensat de Bose-Einstein. Dans un premier temps, nous avons utilisé des champs évanescents. La production d'un condensat à 3 mm seulement de la surface a constitué une première. Nos expériences de rebond du condensat sur l'onde évanescente ont permis de caractériser l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface, et de confirmer quantitativement la théorie de C. Henkel et al. Nous avons montré que la diffraction par un miroir modulé était toujours observable malgré la forte diffusion. Dans un second temps, nous avons mis au point une nouvelle approche suggérée par O. Zobay et B. Garraway pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut ètre largement contrôlée. Ces potentiels RF, que nous avons mis en oeuvre pour la première fois, permettent de réaliser une "bulle" à atomes, un double puits, un anneau... Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent ètre refroidis par évaporation in situ.