Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.
Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.
L’étude des gaz quantiques en microgravité ouvre la voie à de nouveaux tests de la physique fondamentale et à la mise au point de capteurs inertiels de haute précision. Le projet ICE (Interférométrie à sources Cohérentes pour l’Espace), soutenu par le CNES, vise à réaliser un test du principe d’équivalence faible en microgravité grâce à un interféromètre atomique bi-espèce basé sur les isotopes 87Rb et 39K. Ces isotopes présentent des avantages complémentaires : un fort rapport de masse, une compatibilité optique et des architectures laser fibrées, adaptées aux environnements embarqués. Cette thèse s’inscrit dans le développement de ce démonstrateur technologique, destiné à valider les méthodes expérimentales en vue de futures missions spatiales. Le dispositif expérimental, compact et transportable, est conçu pour fonctionner à la fois sur un simulateur de microgravité au sol et à bord de l’avion zéro-G. Une attention particulière a été portée à la robustesse de l’architecture optique intégralement fibrée, élément clé pour une application spatiale. Un premier axe a concerné la production de sources atomiques ultra-froides. Des condensats de Bose-Einstein de rubidium ont été obtenus dans des conditions expérimentales contraignantes, notamment en vol parabolique, démontrant la faisabilité de telles manipulations en microgravité. Sur le simulateur, des condensats à des températures de quelques nanokelvins ont également été produits, validant les techniques de refroidissement évaporatif optique. Un second axe a porté sur l’interférométrie atomique en microgravité. L’étude théorique et expérimentale des transitions Raman a permis d’explorer différents régimes de diffraction, en particulier la double diffraction, prometteuse pour augmenter la sensibilité. Les premiers résultats ont montré la possibilité de mesurer des accélérations avec des temps d’interrogation prolongés et de reconstruire des franges d’interférence avec des nuages ultra-froids. Ces avancées ouvrent la voie à des mesures inertiels de haute précision dans l’espace. La thèse a également exploré des méthodes de détection adaptées aux gaz dilués en expansion libre. L’imagerie par absorption et par fluorescence, ainsi que la détection temporelle, se sont révélées complémentaires pour caractériser les sources atomiques et extraire les signaux interférométriques, chacune présentant des avantages selon le régime expérimental. Enfin, une étude théorique originale a été consacrée à la création de pièges tout optiques en forme de bulle pour des condensats en microgravité. Ces géométries sphériques ouvrent de nouvelles perspectives pour l’exploration de phases quantiques inédites et constituent un pas vers l’ingénierie de systèmes quantiques dans des environnements spatiaux. En conclusion, ce travail a démontré la faisabilité de produire et manipuler des gaz quantiques en microgravité, ainsi que d’exploiter leur cohérence pour des applications métrologiques. Ces résultats marquent une étape importante vers la réalisation de tests sensibles du principe d’équivalence faible depuis l’espace, et plus largement vers l’utilisation de capteurs quantiques embarqués pour sonder la gravité et explorer de nouvelles physiques.
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
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.
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.
Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.
Les sources d’atomes ultra-froids (T<100mK), basées sur des condensats de Bose-Einstein, présentent un intérêt majeur pour les futures générations de capteurs quantiques, notamment pour les applications de type interférométrie atomique. Dans ce cadre, la miniaturisation et la simplification de ce type de sources pour en favoriser l’embarquabilité motive de nombreux travaux : puces atomiques intégrant de forts gradients de champs d’une part, systèmes de pièges magnéto-optiques à réseaux (GMOT) d’autre part. Nous avons récemment montré que la combinaison de ces deux approches permet d’obtenir des sources d’atomes ultra-froids présentant un flux d’atomes froids important tout en garantissant une structure robuste, compacte, et économe en énergie. Cependant, la réalisation de ces sources repose sur l’hybridation d’un réseau de diffraction sur une puce magnétique elle-même hybridée sur une embase active, l’ensemble devant répondre à un cahier des charges (thermique, compatibilité ultra-vide…) exigeant. L’objectif du projet est de fiabiliser cette étape cruciale d’hybridation pour sécuriser les futures études reposant sur ce type de puces.Nous présentons ici les différentes étapes du procédé initial de fabrication et d’hybridation des puces magnéto-optiques. Nous nous concentrerons sur les étapes d’amincissement du réseau de diffraction ainsi que sur les étapes de collages tout en garantissant la planéité du réseau et limitant les contraintes internes au substrat. Finalement, nous discuterons de méthodes alternatives afin de garantir la reproductibilité de ce procédé.