Cette thèse a été consacrée à la mesure de biréfringences dans deux gaz nobles, l'hélium et le xénon, et dans le vide. Deux types de biréfringences magnétiques ont été étudiées : la biréfringence circulaire induite par un champ magnétique longitudinal, aussi appelée effet Faraday, et la biréfringence linéaire induite par un champ magnétique transverse, aussi appelée effet Cotton-Mouton. Ce travail a été réalisé au sein du projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide) dont l'objectif principal est la mesure de l'effet Cotton-Mouton du vide. Ce phénomène est prévu dans le cadre de l'électrodynamique quantique mais n'a jamais été observé expérimentalement. La biréfringence attendue est de l'ordre de $10^{-24}$ pour un champ magnétique appliqué de 1 T. Sa mesure constitue donc un véritable défi expérimental.
Le principe de l'expérience est de mesurer l'angle de rotation, dans le cas de l'effet Faraday, ou l'ellipticité, dans le cas de l'effet Cotton-Mouton, induits par un champ magnétique sur une polarisation linéaire incidente. A cette fin, un polarimètre de haute sensibilité a été utilisé. Ce travail présente et caractérise en détails les éléments principaux qui le constituent : la cavité Fabry-Perot de haute finesse, le système d'asservissement de la fréquence du faisceau lumineux sur la résonance de la cavité, les deux aimants, modulé et pulsé, qui produisent les champs magnétiques longitudinal et transverse, et le système à vide. Les mesures d'effet Faraday dans les gaz d'hélium et de xénon sont ensuite présentées. La comparaison des résultats obtenus avec les valeurs prédites par des calculs textit{ab. initio} de chimie quantique a permis de mettre en évidence l'importance de la corrélation électronique et des effets relativistes dans le cas du xénon. Enfin, les résultats concernant les mesures d'effet Cotton-Mouton sont exposés. Ils sont basés sur une méthode innovante d'acquisition et d'analyse des données expérimentales. Celle-ci permet de mettre en évidence le signal d'effet Cotton-Mouton en jouant sur les propriétés de symétrie des différents effets présents vis-à-vis des paramètres expérimentaux. La mesure de l'effet Cotton-Mouton de l'hélium, le plus petit après celui du vide, a permis de valider le dispositif expérimental et la méthode de traitement des données. La comparaison du résultat obtenu dans le xénon avec différentes valeurs théoriques constitue, quant à elle, un test des méthodes de calcul de chimie quantique. Finalement, ce travail présente le premier résultat concernant l'effet Cotton-Mouton du vide obtenu avec l'expérience BMV. La sensibilité en biréfringence du dispositif, de quelques $10^{-21}$ T$^{-2}$, nous a permis de mettre en évidence les principales limitation du dispositif expérimental et de poser les bases d'une nouvelle version de l'expérience qui est actuellement en cours d'installation. |
In this work, we present the measurements of the magnetic birefringences of two noble gases, helium and xenon, and of the vacuum. Two types of magnetic birefringences were measured: the circular birefringence induced by a longitudinal magnetic field, also known as Faraday effect, and the linear birefringence induced by a transverse magnetic field, also known as Cotton-Mouton effect. This work was carried out in the framework of the BMV (Biréfringence Magnétique du Vide) project, aiming to measure the Cotton-Mouton effect of vacuum. This effect is predicted by quantum electrodynamics but has never been observed experimentally. The expected birefringence is as small as $10^{-24}$, for an applied magnetic field of 1 T. It is thus an experimental challenge to measure it.
The principle of the experiment is to measure the rotation angle, for the Faraday effect, or the ellipticity, for the Cotton-Mouton effect, induced by a magnetic field on an incident linear polarization. To this end, a high sensitivity polarimeter is used. This work presents and characterises its main elements: the high finesse Fabry-Perot cavity, the frequency locking of the light on the optical cavity resonance, the modulated and pulsed magnets which produce the longitudinal and transverse magnetic fields, and the vacuum chamber. The Faraday effect measurements are then presented. The comparison of our results with the quantum chemistry predictions allowed us to highlight that electronic correlation and relativistic effects for xenon must be taken into account in textit{ab. initio} calculations. Finally we present the Cotton-Mouton effect data. The results are based on an innovative data acquisition and analysis procedure which take into account the symmetry properties of the various effects with respect to the experimental parameters. The measurement of the Cotton-Mouton effect of helium gas, the lowest effect after the one of vacuum, allowed us to confirm the correctness of the experimental setup and the analysis method. The comparison of our experimental value of Cotton-Mouton effect of xenon, with the value predicted by quantum chemistry is a test of extit{ab. initio} calculation methods. Finally, this work presents the first result obtained in vacuum with the BMV experimental setup. Its birefringence sensitivity, about $10^{-21}$ T$^{-2}$, allowed us to identify the main limitations of the current setup leading to a new version of the apparatus, currently under construction. |