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Contribution à la théorie des interféromètres atomiques

Charles Antoine

Published Dec 16, 2004• 2 citations
OpenAlex

Abstract

Le présent mémoire porte sur l'étude des interféromètres à ondes de matière. Il comporte des développements théoriques et des parties plus pratiques (modélisations). En matière de modélisation, le résultat principal est l'obtention d'une expression analytique très générale du signal de franges, qui rend notamment compte de l'action simultanée de tous les champs inertiels et gravitationnels dont le potentiel représentatif est de degré au plus deux en position et impulsion (rotations, accélérations, gradients d'accélération, ondes gravitationnelles...), ainsi que de la structuration dispersive due aux séparatrices atomiques en présence de tels champs extérieurs (sélectivité en vitesse, dispersion anormale et effet Borrmann). Au plan théorique, ce mémoire développe de nouveaux outils d'optique atomique, concernant aussi bien la propagation d'ondes matérielles dans des champs inertiels et gravitationnels quelconques (généralisation du formalisme ABCD par la théorie des opérateurs intégrales premières), que l'étude des séparatrices laser en présence de certains de ces champs (schéma ttt généralisé, modélisations ttt champs forts , effet Borrmann généralisé...), ou encore la mise en évidence d'invariants symplectiques utiles à l'interprétation et à la simplification de l'expression des déphasages (notion de chemins homologues et théorème des quatre points finaux).

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Outils théoriques pour la gravitation expérimentale et applications aux interféromètres et cavités à ondes de matière.

Pacôme Delva

La gravitation expérimentale a connu des développements spectaculaires ces vingt dernières années en partie grâce aux développements de la physique atomique. A l'aide de techniques de refroidissement sophistiquées, il est possible d'exploiter le comportement ondulatoire de la matière. L'interférométrie atomique est devenue une méthode de fabrication d'horloges et de senseurs inertiels parmi les plus précis et la condensation de Bose-Einstein permet l'observation de phénomènes quantiques macroscopiques. Dans cette thèse, nous explorons quelques applications possibles des ondes de matière pour les expériences de gravitation en champ faible. En première partie, nous développons des outils génériques pour la description théorique des expériences en relativité générale. Nous les appliquons dans la seconde partie: nous calculons la sensibilité des interféromètres à ondes de matière à l'effet Lense-Thirring, puis aux ondes gravitationnelles, et nous les comparons aux interféromètres laser. Enfin nous calculons la probabilité de changement d'état d'une cavité à onde de matière en interaction avec une onde gravitationnelle.

•Dec 14, 2007•1 citation

Étude théorique de la manipulation laser d'atomes froids

Naceur Gaaloul

L'objet de cette these est l'etude theorique de la manipulation d'ensembles d'atomes froids par des champs laser. Le but est d'affiner le controle des degres de liberte externes et de proposer de nouveaux schemas d'optique atomique. Une premiere etape a consiste a modeliser une experience de lame separatrice a atomes froids agissant dans le champ gravitationnel. L'evolution des populations atomiques dans les potentiels lumineux dependant du temps est obtenue par resolution de l'equation de Schrodinger. Cette resolution est faite par propagation temporelle de paquets d'ondes translationnels. Des ameliorations de l'efficacite de la separatrice sont proposees ainsi qu'un schema de deflecteur d'atomes froids en chute libre. Le modele a ensuite ete etendu au cas des condensats de Bose-Einstein. L'equation relative a la dynamique de ce probleme est alors l'equation de Gross-Pitaevskii et sa resolution permet d'acceder a l'evolution de la fonction d'onde du condensat. Un schema de deflecteur a gaz degeneres a ete propose et son fonctionnement simule dans des conditions experimentales realistes. La derniere partie de la these a pour objet l'etude theorique de la condensation de Bose-Einstein dans des potentiels lumineux faconnes par des modulateurs spatiaux de lumiere (SLM). Les specificites de ces potentiels sont etudiees et une comparaison est faite entre ces potentiels particuliers et le potentiel harmonique generalement utilise dans les experiences de condensation. Cette etude repose sur des donnees experimentales realistes. Elle a permis de souligner l'interet de ces systemes pour l'obtention et la manipulation des gaz quantiques degeneres.

•Jan 1, 2007•0 citations

Outils pour la gravitation expérimentale et applications aux interféromètres et cavité à ondes de matières

Pacôme Delva

La gravitation experimentale a connu des developpements spectaculaires ces vingt dernieres annees en partie grâce aux developpements de la physique atomique. A l'aide de techniques de refroidissement sophistiquees, il est possible d'exploiter le comportement ondulatoire de la matiere. L'interferometrie atomique est devenue une methode de fabrication d'horloges et de senseurs inertiels parmi les plus precis et la condensation de Bose-Einstein permet l'observation de phenomenes quantiques macroscopiques. Dans cette these, nous explorons quelques applications possibles des ondes de matiere pour les experiences de gravitation en champ faible. En premiere partie, nous developpons des outils generiques pour la description theorique des experiences en relativite generale. Nous les appliquons dans la seconde partie : nous calculons la sensibilite des interferometres a ondes de matiere a l'effet Lense-Thirring, puis aux ondes gravitationnelles, et nous les comparons aux interferometres laser. Enfin nous calculons la probabilite de changement d'etat d'une cavite a onde de matiere en interaction avec une onde gravitationnelle.

•Jan 1, 2007•0 citations

Interférométrie atomique à grands transferts d'impulsion dans le régime de quasi-Bragg

Ashley Beguin

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.

•Apr 11, 2023•0 citations

Interférométrie atomique à très grand transfert d'impulsion fondée sur l'approche de Floquet

Léo Calmels

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.

•Apr 20, 2026•0 citations

Contribution à l'optique des ondes atomiques cohérentes - Conception de dispositifs multi-ondes

François Impens

Le travail théorique présenté dans ce manuscrit étudie deux aspects complémentaires de l'optique atomique cohérente. Un premier volet étudie les perspectives offertes par les sources atomiques cohérentes par la conception de deux expériences, impliquant la mise en lévitation d'un échantillon atomique froid par une série périodique d'impulsions lumineuses, et pour lesquelles des nuages cohérents sont particulièrement adaptés. Ces systèmes s'apparentent à des interféromètres atomiques à ondes multiples. Ils présentent l'originalité de fusionner les dispositifs de piégeage et d'interrogation des atomes usuellement distincts. Afin d'obtenir un confinement transverse du nuage, un nouveau type de lentille atomique a été conçu, qui repose sur l'interaction d'une onde atomique avec un faisceau laser de front d'onde sphérique. La sensibilité du piégeage de l'échantillon par rapport à l'accélération gravitationnelle ou à la fréquence des impulsions lumineuses est exploitée pour effectuer la mesure. Ces systèmes constituent des résonateurs à ondes atomiques dans l'espace des impulsions, ce qui apparaît comme un concept nouveau en optique atomique. Un second volet développe de nouveaux outils théoriques – inspirés pour la plupart de l'optique - permettant d'appréhender la propagation de sources atomiques. Une méthode de propagation dans l'espace des phases, fondée sur l'évaluation de moments d'un nuage atomique, a été développée et appliquée à la caractérisation de la dynamique des modes de basse énergie d'un condensat de Bose-Einstein. Une extension de la méthode ABCD de propagation des ondes atomiques incluant de façon perturbative les effets non-linéaires des interactions atomiques a été développée. Un traitement de l'extraction d'un laser à atomes permettant de caractériser les effets de caustique dans le faisceau émis, réalisé en collaboration avec le groupe d'optique atomique de l'Institut d'Optique, est exposé. Enfin, un facteur de qualité adapté à la caractérisation de faisceaux à ondes de matière dilués dans un régime général de propagation a été proposé.

•Mar 17, 2008•0 citations
Le présent mémoire porte sur l'étude des interféromètres à ondes de matière. Il comporte des développements théoriques et des parties plus pratiques (modélisations). En matière de modélisation, le résultat principal est l'obtention d'une expression analytique très générale du signal de franges, qui rend notamment compte de l'action simultanée de tous les champs inertiels et gravitationnels dont le potentiel représentatif est de degré au plus deux en position et impulsion (rotations, accélérations, gradients d'accélération, ondes gravitationnelles...), ainsi que de la structuration dispersive due aux séparatrices atomiques en présence de tels champs extérieurs (sélectivité en vitesse, dispersion anormale et effet Borrmann). Au plan théorique, ce mémoire développe de nouveaux outils d'optique atomique, concernant aussi bien la propagation d'ondes matérielles dans des champs inertiels et gravitationnels quelconques (généralisation du formalisme ABCD par la théorie des opérateurs intégrales premières), que l'étude des séparatrices laser en présence de certains de ces champs (schéma ttt généralisé, modélisations ttt champs forts , effet Borrmann généralisé...), ou encore la mise en évidence d'invariants symplectiques utiles à l'interprétation et à la simplification de l'expression des déphasages (notion de chemins homologues et théorème des quatre points finaux).
La gravitation expérimentale a connu des développements spectaculaires ces vingt dernières années en partie grâce aux développements de la physique atomique. A l'aide de techniques de refroidissement sophistiquées, il est possible d'exploiter le comportement ondulatoire de la matière. L'interférométrie atomique est devenue une méthode de fabrication d'horloges et de senseurs inertiels parmi les plus précis et la condensation de Bose-Einstein permet l'observation de phénomènes quantiques macroscopiques. Dans cette thèse, nous explorons quelques applications possibles des ondes de matière pour les expériences de gravitation en champ faible. En première partie, nous développons des outils génériques pour la description théorique des expériences en relativité générale. Nous les appliquons dans la seconde partie: nous calculons la sensibilité des interféromètres à ondes de matière à l'effet Lense-Thirring, puis aux ondes gravitationnelles, et nous les comparons aux interféromètres laser. Enfin nous calculons la probabilité de changement d'état d'une cavité à onde de matière en interaction avec une onde gravitationnelle.
L'objet de cette these est l'etude theorique de la manipulation d'ensembles d'atomes froids par des champs laser. Le but est d'affiner le controle des degres de liberte externes et de proposer de nouveaux schemas d'optique atomique. Une premiere etape a consiste a modeliser une experience de lame separatrice a atomes froids agissant dans le champ gravitationnel. L'evolution des populations atomiques dans les potentiels lumineux dependant du temps est obtenue par resolution de l'equation de Schrodinger. Cette resolution est faite par propagation temporelle de paquets d'ondes translationnels. Des ameliorations de l'efficacite de la separatrice sont proposees ainsi qu'un schema de deflecteur d'atomes froids en chute libre. Le modele a ensuite ete etendu au cas des condensats de Bose-Einstein. L'equation relative a la dynamique de ce probleme est alors l'equation de Gross-Pitaevskii et sa resolution permet d'acceder a l'evolution de la fonction d'onde du condensat. Un schema de deflecteur a gaz degeneres a ete propose et son fonctionnement simule dans des conditions experimentales realistes. La derniere partie de la these a pour objet l'etude theorique de la condensation de Bose-Einstein dans des potentiels lumineux faconnes par des modulateurs spatiaux de lumiere (SLM). Les specificites de ces potentiels sont etudiees et une comparaison est faite entre ces potentiels particuliers et le potentiel harmonique generalement utilise dans les experiences de condensation. Cette etude repose sur des donnees experimentales realistes. Elle a permis de souligner l'interet de ces systemes pour l'obtention et la manipulation des gaz quantiques degeneres.
La gravitation experimentale a connu des developpements spectaculaires ces vingt dernieres annees en partie grâce aux developpements de la physique atomique. A l'aide de techniques de refroidissement sophistiquees, il est possible d'exploiter le comportement ondulatoire de la matiere. L'interferometrie atomique est devenue une methode de fabrication d'horloges et de senseurs inertiels parmi les plus precis et la condensation de Bose-Einstein permet l'observation de phenomenes quantiques macroscopiques. Dans cette these, nous explorons quelques applications possibles des ondes de matiere pour les experiences de gravitation en champ faible. En premiere partie, nous developpons des outils generiques pour la description theorique des experiences en relativite generale. Nous les appliquons dans la seconde partie : nous calculons la sensibilite des interferometres a ondes de matiere a l'effet Lense-Thirring, puis aux ondes gravitationnelles, et nous les comparons aux interferometres laser. Enfin nous calculons la probabilite de changement d'etat d'une cavite a onde de matiere en interaction avec une onde gravitationnelle.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.
Le travail théorique présenté dans ce manuscrit étudie deux aspects complémentaires de l'optique atomique cohérente. Un premier volet étudie les perspectives offertes par les sources atomiques cohérentes par la conception de deux expériences, impliquant la mise en lévitation d'un échantillon atomique froid par une série périodique d'impulsions lumineuses, et pour lesquelles des nuages cohérents sont particulièrement adaptés. Ces systèmes s'apparentent à des interféromètres atomiques à ondes multiples. Ils présentent l'originalité de fusionner les dispositifs de piégeage et d'interrogation des atomes usuellement distincts. Afin d'obtenir un confinement transverse du nuage, un nouveau type de lentille atomique a été conçu, qui repose sur l'interaction d'une onde atomique avec un faisceau laser de front d'onde sphérique. La sensibilité du piégeage de l'échantillon par rapport à l'accélération gravitationnelle ou à la fréquence des impulsions lumineuses est exploitée pour effectuer la mesure. Ces systèmes constituent des résonateurs à ondes atomiques dans l'espace des impulsions, ce qui apparaît comme un concept nouveau en optique atomique. Un second volet développe de nouveaux outils théoriques – inspirés pour la plupart de l'optique - permettant d'appréhender la propagation de sources atomiques. Une méthode de propagation dans l'espace des phases, fondée sur l'évaluation de moments d'un nuage atomique, a été développée et appliquée à la caractérisation de la dynamique des modes de basse énergie d'un condensat de Bose-Einstein. Une extension de la méthode ABCD de propagation des ondes atomiques incluant de façon perturbative les effets non-linéaires des interactions atomiques a été développée. Un traitement de l'extraction d'un laser à atomes permettant de caractériser les effets de caustique dans le faisceau émis, réalisé en collaboration avec le groupe d'optique atomique de l'Institut d'Optique, est exposé. Enfin, un facteur de qualité adapté à la caractérisation de faisceaux à ondes de matière dilués dans un régime général de propagation a été proposé.