L’étude du couplage matière-rayonnement au niveau fondamental, c’est-à-dire entre objets quantiques individuels (atome et photon) nécessite un couplage efficace. Ceci n’était possible jusqu’alors uniquement lorsque l’atome est placé dans une cavité optique (électrodynamique quantique en cavité). Nous souhaitons étendre cette approche à l’espace libre. Pour cela, il est nécessaire de contrôler parfaitement le mode de la lumière auquel est couplé l’atome, en général un mode d’émission dipolaire. En positionnant précisémment un atome au foyer d’un miroir parabolique, on peut l’illuminer sur l’intégralité de l’angle solide à partir d’un faisceau laser résonant dont on met en forme le profil transverse. L’inversion du processus d’émission spontanée est alors envisageable, et plus généralement un grand nombre d’expériences impliquant un photon unique et un atome unique.
Je détaillerai en particulier le développement d’un nouveau type de piège d’ion, laissant accessible la majorité de l’angle solide (nous avons choisi pour l’expérimenter les ions d’Yb+ et Yb2+), ainsi que la mise en forme d’un faisceau à polarisation radiale très proche du mode d’émission dipolaire, et sa focalisation à l’aide d’un miroir parabolique.