Dans une première série d'expériences, ici accessoires, mais qu'il fallait cependant réaliser, nous avons utilisé un circuit optique tout entier solidaire de la plate-forme tournante comme dans les travaux antérieurs de Sagnac. Dans ces conditions nous avons constaté que les déplacements de franges observés sont les mêmes à 6 % près, que la source lumineuse et le récepteur photographique soient entraînés dans la rotation de la plate-forme, comme dans les expériences de Sagnac, ou qu'ils restent fixes dans le laboratoire. La seconde série d'expériences décrite ici a eu pour but d'étudier le déplacement des franges dû à la rotation, dans des conditions entièrement nouvelles caractérisées par le fait que le circuit optique des deux faisceaux interférents superposés est formé de deux parties en série, dont l'une reste fixe par rapport au laboratoire tandis que l'autre est solidaire de la plate-forme en rotation. Le déplacement des franges, obtenu dans ces conditions nouvelles, a été celui que permet de prévoir la théorie classique. Dans le cas où le circuit optique est en entier solidaire du disque tournant, comme dans les expériences de Sagnac, l'observateur n'a pas le moyen de faire un choix entre les interprétations du d placement des franges obtenu s données respectivement par la théorie classique et par les théoriciens relativistes. Mais, dans le cas où il existe une partie du circuit qui reste fixe par rapport au laboratoire, le théoricien relativiste ne peut rester d'accord avec le théoricien classique, ni avec les résultats observés, en supposant, comme il l'avait fait jusqu'ici, que le centre, où il doit se supposer placé pour faire le calcul de l'expérience, peut être choisi arbitrairement sur la plate-forme tournante. Ce centre doit obligatoirement être confondu avec le centre de rotation de la plate-forme.
Dans une première série d'expériences, ici accessoires, mais qu'il fallait cependant réaliser, nous avons utilisé un circuit optique tout entier solidaire de la plate-forme tournante comme dans les travaux antérieurs de Sagnac. Dans ces conditions nous avons constaté que les déplacements de franges observés sont les mêmes à 6 % près, que la source lumineuse et le récepteur photographique soient entraînés dans la rotation de la plate-forme, comme dans les expériences de Sagnac, ou qu'ils restent fixes dans le laboratoire. La seconde série d'expériences décrite ici a eu pour but d'étudier le déplacement des franges dû à la rotation, dans des conditions entièrement nouvelles caractérisées par le fait que le circuit optique des deux faisceaux interférents superposés est formé de deux parties en série, dont l'une reste fixe par rapport au laboratoire tandis que l'autre est solidaire de la plate-forme en rotation. Le déplacement des franges, obtenu dans ces conditions nouvelles, a été celui que permet de prévoir la théorie classique. Dans le cas où le circuit optique est en entier solidaire du disque tournant, comme dans les expériences de Sagnac, l'observateur n'a pas le moyen de faire un choix entre les interprétations du d placement des franges obtenu s données respectivement par la théorie classique et par les théoriciens relativistes. Mais, dans le cas où il existe une partie du circuit qui reste fixe par rapport au laboratoire, le théoricien relativiste ne peut rester d'accord avec le théoricien classique, ni avec les résultats observés, en supposant, comme il l'avait fait jusqu'ici, que le centre, où il doit se supposer placé pour faire le calcul de l'expérience, peut être choisi arbitrairement sur la plate-forme tournante. Ce centre doit obligatoirement être confondu avec le centre de rotation de la plate-forme.
IntroductionComme beaucoup d'ouvrages, celui-ci est issu d'un cours présenté devant des étudiants pendant plusieurs années, d'un polycopié rédigé à cette occasion, ainsi que d'exposés préparés par ces mêmes étudiants pour en illustrer certains aspects.Au tout début, il s'agissait d'un cours du DEA "Physique quantique" dispensé à la fin des années 1970 au laboratoire de physique de l'ENS.L'objectif principal était de familiariser de futurs doctorants avec les techniques de calcul basées sur l'invariance par rotation, les opérateurs tensoriels irréductibles, le théorème de Wigner-Eckart, etc. Ces techniques, souvent importées de la physique nucléaire, étaient en effet devenues un outil de base en optique quantique, théorie du pompage optique, relaxation, etc. Avec cet objectif, il m'avait cependant semblé utile de replacer l'exposé dans un contexte un peu plus général, et de reprendre les idées de Wigner sur le rôle essentiel des générateurs du groupe de Poincaré.L'expérience a rapidement montré que cet aspect intéressait particulièrement les étudiants (ainsi d'ailleurs que l'enseignant !), et ce qui était au départ un cours de deux heures s'est rapidement développé en plusieurs chapitres.Au bout de quelques années, cet aspect plus fondamental était devenu une bonne moitié du cours.Le contenu de cet ouvrage reflète tout naturellement cette dualité dans les objectifs d'enseignement.Un premier point de vue est celui du lecteur désirant maîtriser le plus rapidement possible les outils techniques d'un tel cours.Après une introduction générale, il pourra directement passer aux chapitres VII et VIII qui exposent les résultats principaux concernant les symétries de rotation, ou au chapitre IX concernant les symétries d'échange entre particules.C'est également avec l'objectif de fournir des outils pratiques utiles que le complément D V , ainsi que l'appendice, font des incursions dans le domaine des symétries discrètes : la parité d'espace et le renversement du temps.Au lieu de considérer cette dernière comme une symétrie à part, comme c'est souvent le cas, nous la placerons dans le cadre général des symétries d'espace-temps.Un autre point de vue sera celui du lecteur qui, au contraire, désire privilégier les aspects fondamentaux.Il se dirigera alors plutôt vers les chapitres V et VI.La démarche qui y est présentée est celle de Wigner [4] dans le cadre de la relativité restreinte d'Einstein, et celle de 30] dans le cadre galiléen.Elle permet de montrer comment "le quantique émerge du classique" à partir d'hypothèses très générales : d'une part on suppose que l'espace-temps classique reste en mécanique quantique le cadre général permettant de décrire l'évolution des systèmes physiques, et d'autre part on suppose que cette description se fait dans un espace des états linéaire (et complexe).Inutile alors d'utiliser des "règles de quantification", plus ou moins artificielles et parfois ambigües, afin de passer d'une description classique à une description quantique d'un système physique.Les seules propriétés de l'espace-temps classique permettent en effet de prévoir l'existence
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
On étudie les champ statiques, d'une part, en vue de préciser les limites spatiales oú une loi de champ due à une source peut être vérifiée au moyen de mesures et, d'autre part, en vue de fixer les conditions où la forme classique des lois ponctuelles se trouve justifiée. Dans le premier de ces problèmes, la méthode de mesure utilisée est celle de la diffusion de corps d'épreuve convenables dans les champs créés par des centres, les dimensions des premiers commes celles des derniers étant négligées. Une comparaison des conclusions relatives aux régions d'espace entourant une source - où règne ou ne règne pas, un champ hypothétique de forme précise — des points de vue classique et quantique, et pour le même processus de mesure, conduit à fixer la limite de validité comparative de la théorie classique. Cette limite serait déterminée par le rapport d/λ, où d est la distance d'approche minimum classique du corps d'épreuve utilisé à la source du champ et λ la longueur d'onde de de Broglie associée au corps d'épreuve. Tant que ce rapport est supérieur à l'unité, les conclusions indiquées coïncident dans les théories classique et quantique; par contre, lorsque ce rapport est inférieur à l'unité on se trouve dans un domaine où seules les conclusions conformes à la Mécanique quantique sont admissibles. La condition d/λ < 1 pouvait être généralisée comme devant être satisfaite nécessairement par toute méthode d'approximation fondée sur la Mécanique quantique en vue de décrire des processus de diffusion dans les champs considérés ici (champs dérivant d'un potentiel et fonctions de la distance). Il se trouve en particulier que dans les champs du type Coulomb le rapport précédent est justement le paramètre de développement en série de la méthode d'approximations successives de Born. On montre enfin, en étudiant localement un champ statique à l'aide de mesures directes de composantes de champ, que les lois classiques ponctuelles peuvent être justifiées dans le cas des champs uniformes et dans les régions des champs non uniformes où ceux ci varient relativement lentement le long de distances de l'ordre des dimensions linéaires des corps d'épreuve de volume fini utilisés dans la mesure.