A.- Le Grand Conseil de la République et canton de Neuchâtel a adopté le 31 janvier 2000 un décret déclarant d'utilité publique la construction de la halle de sport triple de la Riveraine, à la rue du Littoral, à Neuchâtel. Aux termes de l'art. 1er de ce décret, le Conseil d'Etat reçoit tous pouvoirs pour acquérir à l'amiable ou par voie d'expropriation les biens-fonds, tous droits réels ou personnels sur des immeubles et ceux découlant de droits de voisinage qui pourraient être nécessaires à l'exécution des travaux.
Selon l'art. 2 du décret, la loi cantonale sur l'expropriation pour cause d'utilité publique (LEXUP) est applicable en cas d'expropriation.
Le projet de halle de sport a été élaboré par l'Etat de Neuchâtel et la Ville de Neuchâtel, destinés à en être les copropriétaires. Ce bâtiment - de forme carrée, de 46 m de côté - doit être implanté pour l'essentiel sur le domaine public cantonal (terrain remblayé au bord du lac), avec un empiétement sur la parcelle n° 13820, propriété de l'Etat de Neuchâtel et dont la Ville de Neuchâtel est superficiaire (elle y a aménagé un terrain de football). Cet empiétement correspond à la partie est de la halle, soit une bande de 11 m de large sur 46 m de long.
La parcelle n° 13820 est par ailleurs grevée d'une servitude de "limitation du droit de construire" au profit des parcelles nos 7961, 7962, 7963 et 7964: seules y sont admises les constructions propres à desservir un stade sportif, et dont la hauteur ne dépasse pas 6,5 m à compter de la cote 432, 5 m (niveau du sol). Les quatre fonds dominants, contigus, appartiennent à F._; des immeubles d'habitation y sont construits.
Comme la halle de sport projetée atteint, à son niveau le plus élevé, la cote de 446 m, le Conseil d'Etat a engagé, avec le Conseil communal de Neuchâtel, une procédure d'expropriation partielle de la servitude précitée, sur la bande de terrain correspondant à l'empiétement prévu sur la parcelle 13820. Le projet a été mis à l'enquête publique du 13 avril au 2 mai 2000 (cf. art. 19 LEXUP) et, en outre, un avis personnel a été notifié à F._ (cf. art. 20 LEXUP). Ce dernier a ensuite déposé une opposition à l'expropriation (art. 26 LEXUP), en faisant valoir que la réalisation du projet ne serait pas justifiée par un intérêt public suffisant et que l'atteinte à ses droits serait disproportionnée, d'autres implantations étant possibles selon lui. Le Département cantonal de la gestion du territoire a rejeté cette opposition par une décision rendue le 20 juin 2000.
F._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif cantonal, en se plaignant d'une violation du principe de la proportionnalité. Le Tribunal administratif a rejeté le recours par un arrêt rendu le 5 mars 2001. Il a considéré, en substance, qu'il était impossible de déplacer la halle de sport suffisamment vers l'est (recte: vers l'ouest), pour éviter tout empiétement sur l'assiette de la servitude litigieuse, car le nouveau bâtiment serait alors trop proche d'une salle omnisports existante et, en outre, parce que cela nécessiterait la suppression ou le déplacement d'une voie publique, la rue du Littoral.
Un déplacement de la halle vers le nord, plus près des immeubles d'habitation de F._, ne permettrait de réduire que de façon négligeable l'étendue de l'expropriation, en supprimant par ailleurs des dégagements à proximité de ces habitations. Le Tribunal administratif a encore retenu que le site de la halle de sport avait été soigneusement choisi, à l'issue d'une étude de variantes, et que la procédure d'expropriation avait été engagée après l'échec de transactions avec le propriétaire des fonds dominants.
B.- Le projet de halle de sport de la Riveraine est le résultat d'un concours d'architecture. Un plan de quartier a été établi et une procédure d'autorisation de construire a été introduite. F._ s'est opposé à l'octroi du permis de construire; son opposition a été rejetée et il a recouru en vain auprès du Tribunal administratif; l'arrêt rendu le 6 juillet 2000 dans cette contestation est entré en force.
C.- Agissant par la voie du recours de droit public, F._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt rendu le 5 mars 2001 par le Tribunal administratif au sujet de son opposition à l'expropriation. Il se plaint d'une violation de la garantie de la propriété (art. 26 al. 1 Cst.), l'expropriation ne respectant pas le principe de la proportionnalité.
L'Etat de Neuchâtel et la Ville de Neuchâtel concluent au rejet du recours.
D.- Par une ordonnance rendue le 18 mai 2001, le Président de la Ie Cour de droit public a rejeté la demande d'effet suspensif présentée par le recourant.

Considérant en droit :
1.- Les conditions de recevabilité du recours de droit public (art. 86 à 90 OJ) sont réalisées.
2.- a) Le recourant se plaint d'une violation de la garantie de la propriété (art. 26 al. 1 Cst.) en invoquant le principe de la proportionnalité. En vertu de la Constitution fédérale, toute restriction à un droit fondamental doit respecter ce principe (art. 36 al. 3 Cst.). Le droit cantonal le consacre également, l'art. 6 LEXUP disposant que le droit d'exproprier ne peut être exercé que dans la mesure nécessaire pour atteindre le but recherché.
La jurisprudence a précisé la portée du principe de la proportionnalité en matière d'expropriation. Il ne signifie pas que l'atteinte à la propriété doive se limiter à ce qui est absolument indispensable à la réalisation de l'ouvrage d'intérêt public; elle peut au contraire s'étendre à tout ce qu'exige, tant du point de vue juridique que technique, l'exécution adéquate dudit ouvrage. De ce point de vue, l'intérêt public à éviter des charges et des frais disproportionnés pour la collectivité entre en considération (<ref-ruling> consid. 6a p. 195; <ref-ruling> consid. 4b p. 477).
Par ailleurs, la règle de la nécessité, composante du principe de la proportionnalité, empêche la collectivité d'exproprier sans motifs objectifs des biens-fonds supplémentaires quand elle dispose déjà de terrains où son projet pourrait être réalisé. Il incombe donc à la collectivité de justifier son choix, de telle sorte qu'il en résulte que, dans le périmètre envisageable pour l'ouvrage, le terrain choisi se prête effectivement de manière adéquate à l'affectation prévue (<ref-ruling> consid. 4c/cb p. 120 et consid. 4c/cf p. 124; cf. aussi Pierre Moor, Droit administratif, vol.
III, Berne 1992, p. 404).
Le Tribunal fédéral examine librement si une mesure satisfait au principe de la proportionnalité; il s'impose toutefois une certaine retenue lorsqu'il doit tenir compte de circonstances locales, établies par la juridiction cantonale, ou se prononcer sur de pures questions d'appréciation (<ref-ruling> consid. 3c p. 121; <ref-ruling> consid. 5c/bb p. 96, 348 consid. 2a p. 353 et les arrêts cités).
b) Le recourant reproche au Tribunal administratif d'avoir ignoré une variante consistant à construire à la halle de sport à un autre emplacement à Neuchâtel, soit à l'endroit où se trouve le bâtiment dénommé "Palexpo" (recte:
"Panespo"), ce bâtiment ayant un caractère temporaire, donc étant voué à la démolition à moyen ou court terme.
Le Tribunal administratif a considéré que l'emplacement choisi, à la rue du Littoral, résultait d'une réflexion et d'une analyse des critères déterminants, et qu'il se fondait sur des motifs suffisants et connus, exposés dans des documents officiels établis en vue de l'octroi de crédits ou de l'adoption du plan de quartier. Le site de "Panespo" ne fait pas partie des variantes mentionnées dans l'arrêt attaqué; il apparaît toutefois que le recourant ne l'avait pas proposé dans son recours au Tribunal administratif. Quoi qu'il en soit, il ne démontre pas que ce site serait effectivement disponible, la Ville intimée contestant au demeurant que la démolition du bâtiment existant soit prévue à l'heure actuelle.
Cet argument n'est donc pas concluant, au regard des critères posés par la jurisprudence.
c) Le recourant se réfère à l'arrêt attaqué qui retient que les contraintes liées à la présence d'une salle omnisports et au tracé de la rue du Littoral empêchent un déplacement de la halle de sport litigieuse vers l'est (recte: vers l'ouest), permettant de supprimer l'empiétement sur le fonds servant. Or, selon le recourant, il aurait également fallu étudier un déplacement vers l'est (recte:
vers l'ouest) moins important, propre à réduire tout de même l'empiétement et donc à mieux préserver les droits du bénéficiaire de la servitude.
Il convient de relever, à ce propos, que la parcelle grevée, aménagée en terrain de football, est vaste et que la partie de l'assiette visée par la procédure d'expropriation est proportionnellement peu importante; le dégagement garanti par la servitude litigieuse à l'avant des bâtiments du recourant n'est pour l'essentiel pas compromis par la réalisation du projet de l'expropriant. Cet élément doit être pris en considération dans l'application du principe de la proportionnalité.
Cela étant, il ressort clairement de l'arrêt attaqué que l'exécution adéquate, sans frais disproportionnés, de l'ouvrage ne saurait se concevoir avec une suppression ou un déplacement de la rue du Littoral, longeant la face ouest de la halle de sport projetée. Or il serait exclu de déplacer de manière significative cette halle en direction de l'ouest tout en maintenant le tracé actuel de la rue du Littoral. Le déplacement de cette rue coûterait selon l'arrêt attaqué un million de francs, sans que le nouvel aménagement présente de véritables avantages pour les riverains, en l'occurrence les locataires du recourant. Sur ces questions relevant de l'appréciation et de l'évaluation des circonstances locales, le Tribunal fédéral n'a aucun motif de s'écarter des considérations du Tribunal administratif, qui ne sont pas sérieusement contestées par le recourant. Il en résulte que le refus d'ordonner un déplacement de la halle de sport vers l'ouest est compatible avec le principe de la proportionnalité.
3.- Le recours de droit public, en tous points mal fondé, doit en conséquence être rejeté.
Le recourant, qui succombe, doit payer l'émolument judiciaire conformément aux art. 153, 153a et 156 al. 1 OJ.
Les collectivités intimées n'ont pas droit à des dépens (art. 159 al. 1 et 2 OJ).

Par ces motifs,
le Tribunal fédéral :
1. Rejette le recours;
2. Met un émolument judiciaire de 3'000 fr. à la charge du recourant;
3. Dit qu'il n'est pas alloué de dépens;
4. Communique le présent arrêt en copie au mandataire du recourant, au Conseil communal de la Ville de Neuchâtel, au Conseil d'Etat, au Département de la gestion du territoire et au Tribunal administratif de la République et canton de Neuchâtel.
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Lausanne, 23 juillet 2001 JIA
Au nom de la Ie Cour de droit public
du TRIBUNAL FEDERAL SUISSE:
Le Président, Le Greffier,