Optimization of a force sensor based on ultracold atoms trapped in an optical lattice

Optimisation d'un capteur de force à atomes ultrafroids piégés dans un réseau optique

Xavier Alauze

Atomic interferometers in an optical lattice

Bruno Pelle, Franck Pereira dos Santos

Capture de forces à atomes piégés dans un réseau optique : caractérisation des performances

Adèle Hilico

Capture de forces à atomes piégés dans un réseau optique : caractérisation des performances

Adèle Hilico

Interféromètres atomiques dans un réseau optique

Bruno Pelle

Optimization of a force sensor based on ultracold atoms trapped in an optical lattice

Xavier Alauze

Published Dec 20, 2018• 0 citations

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Abstract

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Optimisation d'un capteur de force à atomes ultrafroids piégés dans un réseau optique

Xavier Alauze

Le projet ForCa-G (pour Force de Casimir-Polder et Gravitation) a pour objectif ultime la mesure de forces à courte distance entre un atome et une surface macroscopique. Notre capteur de force met en jeu des atomes de 87Rb piégés dans un réseau optique vertical où des transitions Raman à deux photons permettent de réaliser une superposition cohérente d'états spatialement séparés et de mesurer par interférométrie atomique la variation du potentiel dans la direction verticale. Au vu de la forte dépendance en position des forces d'interaction atome-surface, une très haute résolution spatiale du capteur est requise. Une résolution spatiale micrométrique de la mesure de force est atteinte en diminuant la taille de la source atomique par refroidissement évaporatif. La sensibilité relative, obtenue pour la mesure de la force de pesanteur, de 5 x 10-6 à 1 s, qui s'intègre jusqu'à 8 x 10-8 en 1 h, est à l'état de l'art pour une telle résolution spatiale. L'amélioration de cette résolution implique une augmentation de la densité atomique. Une étude des interactions atomiques est alors réalisée dans la configuration particulière de notre interféromètre à atomes piégés où nous avons un contrôle cohérent sur le recouvrement des paquets d'onde. Afin d'obtenir une résolution spatiale encore meilleure, nous voulons sélectionner un unique état propre du système. Notre choix s'est porté sur la mise en place d'un super-réseau qui lève la dégénérescence de l'incrément en énergie entre puits adjacents.Le projet ForCa-G (pour Force de Casimir-Polder et Gravitation) a pour objectif ultime la mesure de forces à courte distance entre un atome et une surface macroscopique. Notre capteur de force met en jeu des atomes de 87Rb piégés dans un réseau optique vertical où des transitions Raman à deux photons permettent de réaliser une superposition cohérente d'états spatialement séparés et de mesurer par interférométrie atomique la variation du potentiel dans la direction verticale. Au vu de la forte dépendance en position des forces d'interaction atome-surface, une très haute résolution spatiale du capteur est requise. Une résolution spatiale micrométrique de la mesure de force est atteinte en diminuant la taille de la source atomique par refroidissement évaporatif. La sensibilité relative, obtenue pour la mesure de la force de pesanteur, de 5 x 10-6 à 1 s, qui s'intègre jusqu'à 8 x 10-8 en 1 h, est à l'état de l'art pour une telle résolution spatiale. L'amélioration de cette résolution implique une augmentation de la densité atomique. Une étude des interactions atomiques est alors réalisée dans la configuration particulière de notre interféromètre à atomes piégés où nous avons un contrôle cohérent sur le recouvrement des paquets d'onde. Afin d'obtenir une résolution spatiale encore meilleure, nous voulons sélectionner un unique état propre du système. Notre choix s'est porté sur la mise en place d'un super-réseau qui lève la dégénérescence de l'incrément en énergie entre puits adjacents.

Optimisation d'un capteur de force à atomes ultrafroids piégés dans un réseau optique

Xavier Alauze

Atomic interferometers in an optical lattice

Bruno Pelle, Franck Pereira dos Santos

Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s appuie sur le piégeage d atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch B. Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l aide d impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d états entre différents niveaux d énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de B/ B = 9,0.10-6 à 1 s en relatif a été obtenue, qui s intègre jusqu à B/ B = 1,9.10-7 en 2800 s. Ce qui constitue une mesure de l accélération de la pesanteur g à l état de l art des gravimètres atomiques piégés.Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s appuie sur le piégeage d atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch B. Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l aide d impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d états entre différents niveaux d énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de B/ B = 9,0.10-6 à 1 s en relatif a été obtenue, qui s intègre jusqu à B/ B = 1,9.10-7 en 2800 s. Ce qui constitue une mesure de l accélération de la pesanteur g à l état de l art des gravimètres atomiques piégés.

Capture de forces à atomes piégés dans un réseau optique : caractérisation des performances

Adèle Hilico

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid.Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid.

Capture de forces à atomes piégés dans un réseau optique : caractérisation des performances

Adèle Hilico

Interféromètres atomiques dans un réseau optique

Bruno Pelle

Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d'interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d'éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s'appuie sur le piégeage d'atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d'énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d'énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch $\nu_{\mathrm{B}}$ . Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l'aide d'impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d'onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d'états entre différents niveaux d'énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l'étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d'effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 9,0 \times 10^{-6}$ à $1$ ~s en relatif a été obtenue, qui s'intègre jusqu'à $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 1,9 \times 10^{-7}$ en $2 \, 800$ ~s. Ce qui constitue une mesure de l'accélération de la pesanteur g à l'état de l'art des gravimètres atomiques piégés.Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d'interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d'éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s'appuie sur le piégeage d'atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d'énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d'énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch $\nu_{\mathrm{B}}$. Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l'aide d'impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d'onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d'états entre différents niveaux d'énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l'étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d'effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 9,0 \times 10^{-6}$ à $1$~s en relatif a été obtenue, qui s'intègre jusqu'à $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 1,9 \times 10^{-7}$ en $2 \, 800$~s. Ce qui constitue une mesure de l'accélération de la pesanteur g à l'état de l'art des gravimètres atomiques piégés.