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Towards an atom chip accelerometer

Matthieu Dupont-Nivet

Published Jun 22, 2016• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.

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Matthieu Dupont-Nivet

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.

•Jun 22, 2016•0 citations

Vers un accéléromètre atomique sur puce

Matthieu Dupont-Nivet

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.

•Jun 22, 2016•3 citations

Design and Study of Microwave Potentials for Interferometry with Thermal Atoms On a Chip

Mahdi Ammar

Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages.

•Jun 17, 2014•0 citations

Design and Study of Microwave Potentials for Interferometry with Thermal Atoms On a Chip

Mahdi Ammar

Conception et étude des potentiels micro-ondes pour l'interférométrie avec des atomes thermiques sur puce Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages.

•Jun 17, 2014•0 citations

Une nouvelle source pour l'interférométrie atomique avec un condensat de Bose-Einstein double espèce

Julien Alibert

L'interférométrie atomique a démontré sa capacité à effectuer des mesures de grande précision, notamment pour la réalisation de capteurs inertiels, les tests de physique fondamentale ou la mesure de constantes fondamentales. Une piste pour l'amélioration de la sensibilité des interféromètres atomiques est la réduction de la dispersion en vitesse de la source en utilisant un ensemble d'atomes ultra-froids pour augmenter le temps d'interrogation des atomes et accroitre la séparation spatiale entre les bras de l'interféromètre. Un nouvel interféromètre atomique à bras séparés est en construction au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité de Toulouse. Ce dispositif répond à deux objectifs. Premièrement sa conception a pour but l'étude et le développement de nouveaux types de sources de condensat de Bose-Einstein (C.B.E.) double espèce de rubidium 85 et 87 adaptées à l'interférométrie. Cette source de C.B.E. repose sur l'utilisation de puces pour la manipulation et le refroidissement des atomes. Cette technologie est compacte et consomment peu d'énergie, ce qui est adaptée aux applications spatiales. L'autre objectif est d'utiliser cet interféromètre pour tester la neutralité de la matière via l'effet Aharonov-Bohm scalaire. Dans ce manuscrit je commence par exposer et justifer les choix techniques fait lors du dimensionnement et de la construction de la source de C.B.E. double isotopes. Par la suite, je présente les premiers résultats expérimentaux accompagnés de simulations numériques et d'explications théoriques. Lors de la première étape de refroidissement laser nous produisons un nuage de rubidium 87 et 85 contenant 4 × 10^10 atomes à une température de 10 µK avec un taux de cycle de 1 s. A la suite du refroidissement laser 8 × 10^9 atomes sont chargés dans le piège magnétique millimétrique de surface. Différentes expériences de caractérisation sont réalisées et expliquées à la lumières de simulations numériques. L'étude des fréquences de piégeage et de la profondeur a révélé les limites du premier prototype de piège millimétrique que nous avons réalisé au laboratoire. Cependant ces développements expérimentaux et théoriques servent à développer et implémenter dans le dispositif une nouvelle génération de puce à échelle micrométrique.

•Dec 12, 2017•0 citations

Atom chips for metrology

Ramon Szmuk

Atom chips pour la métrologie Cette thèse porte sur deux sujets principaux: l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement à grande stabilité. Je présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec mon prédécesseur, nous avons démontré les fluctuations de fréquences relatives de 5.8 10-13 à 1 s intégrant jusqu'à 6 10-15 à 30000 s.La deuxième partie de cette thèse vise à étendre la polyvalence de notre puce atomique pour créer un interféromètre. J'ai étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par microondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre.À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre.

•Jan 20, 2015•0 citations
Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.
Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.
Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.
Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages.
Conception et étude des potentiels micro-ondes pour l'interférométrie avec des atomes thermiques sur puce Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages.
L'interférométrie atomique a démontré sa capacité à effectuer des mesures de grande précision, notamment pour la réalisation de capteurs inertiels, les tests de physique fondamentale ou la mesure de constantes fondamentales. Une piste pour l'amélioration de la sensibilité des interféromètres atomiques est la réduction de la dispersion en vitesse de la source en utilisant un ensemble d'atomes ultra-froids pour augmenter le temps d'interrogation des atomes et accroitre la séparation spatiale entre les bras de l'interféromètre. Un nouvel interféromètre atomique à bras séparés est en construction au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité de Toulouse. Ce dispositif répond à deux objectifs. Premièrement sa conception a pour but l'étude et le développement de nouveaux types de sources de condensat de Bose-Einstein (C.B.E.) double espèce de rubidium 85 et 87 adaptées à l'interférométrie. Cette source de C.B.E. repose sur l'utilisation de puces pour la manipulation et le refroidissement des atomes. Cette technologie est compacte et consomment peu d'énergie, ce qui est adaptée aux applications spatiales. L'autre objectif est d'utiliser cet interféromètre pour tester la neutralité de la matière via l'effet Aharonov-Bohm scalaire. Dans ce manuscrit je commence par exposer et justifer les choix techniques fait lors du dimensionnement et de la construction de la source de C.B.E. double isotopes. Par la suite, je présente les premiers résultats expérimentaux accompagnés de simulations numériques et d'explications théoriques. Lors de la première étape de refroidissement laser nous produisons un nuage de rubidium 87 et 85 contenant 4 × 10^10 atomes à une température de 10 µK avec un taux de cycle de 1 s. A la suite du refroidissement laser 8 × 10^9 atomes sont chargés dans le piège magnétique millimétrique de surface. Différentes expériences de caractérisation sont réalisées et expliquées à la lumières de simulations numériques. L'étude des fréquences de piégeage et de la profondeur a révélé les limites du premier prototype de piège millimétrique que nous avons réalisé au laboratoire. Cependant ces développements expérimentaux et théoriques servent à développer et implémenter dans le dispositif une nouvelle génération de puce à échelle micrométrique.
Atom chips pour la métrologie Cette thèse porte sur deux sujets principaux: l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement à grande stabilité. Je présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec mon prédécesseur, nous avons démontré les fluctuations de fréquences relatives de 5.8 10-13 à 1 s intégrant jusqu'à 6 10-15 à 30000 s.La deuxième partie de cette thèse vise à étendre la polyvalence de notre puce atomique pour créer un interféromètre. J'ai étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par microondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre.À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre.