Ce travail de thèse présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G. L'objectif de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre des atomes piégés dans un réseau optique et une surface massive à une grande précision. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'effet Casimir-Polder induit par la surface sur les atomes. Le but était de fournir la prédiction la plus précise possible des états atomiques. Ceci a consisté à considérer les effets de la température sur l'interaction Casimir-Polder et modéliser la surface de la manière la plus réaliste possible. Afin de résoudre le problème de divergence qu'impliquait un traitement perturbatif de l'interaction atome-surface, nous avons développé une méthode numérique pour un traitement non-perturbatif de l'interaction Casimir-Polder et modélisé l'interaction atome-surface à très courte distance par un potentiel de Lennard-Jones. Chaque effet et incertitude sur les états atomiques ont été évalués afin de déterminer s'ils seraient observables ou un facteur limitant en regard de la précision visée par l'expérience. Enfin nous nous sommes intéressés au cas d'un déséquilibre thermique entre la température du miroir et la température de l'environnement qui pourrait être induit par les lasers en présence ou un laser de chauffage. Nous avons calculé la correction du potentiel Casimir-Polder due au déséquilibre et évalué l'effet sur les niveaux d'énergie atomiques pour déterminer si cet effet pouvait être mesuré.
Ce travail de thèse présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G. L'objectif de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre des atomes piégés dans un réseau optique et une surface massive à une grande précision. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'effet Casimir-Polder induit par la surface sur les atomes. Le but était de fournir la prédiction la plus précise possible des états atomiques. Ceci a consisté à considérer les effets de la température sur l'interaction Casimir-Polder et modéliser la surface de la manière la plus réaliste possible. Afin de résoudre le problème de divergence qu'impliquait un traitement perturbatif de l'interaction atome-surface, nous avons développé une méthode numérique pour un traitement non-perturbatif de l'interaction Casimir-Polder et modélisé l'interaction atome-surface à très courte distance par un potentiel de Lennard-Jones. Chaque effet et incertitude sur les états atomiques ont été évalués afin de déterminer s'ils seraient observables ou un facteur limitant en regard de la précision visée par l'expérience. Enfin nous nous sommes intéressés au cas d'un déséquilibre thermique entre la température du miroir et la température de l'environnement qui pourrait être induit par les lasers en présence ou un laser de chauffage. Nous avons calculé la correction du potentiel Casimir-Polder due au déséquilibre et évalué l'effet sur les niveaux d'énergie atomiques pour déterminer si cet effet pouvait être mesuré.
À l’échelle du micromètre, les interactions atome-surface sont dominées par le potentiel de Casimir-Polder. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de l’expérience ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) où la mesure des forces à courte distance (de l’ordre du micromètre) est réalisée à l’aide d’atomes de 87Rb refroidis à des températures de l’ordre de quelques centaines de nano-kelvins et piégés dans un réseau optique vertical à proximité d’une surface diélectrique.Afin d’éviter la contamination de cette surface lors des étapes de refroidissement, les atomes sont préparés 30 cm plus bas. Nous prouvons l’efficacité de notre méthode de transport à l’aide d’oscillations de Bloch, permettant à la fois un contrôle satisfaisant de leur position finale sans échauffement ni élargissement excessif du nuage dans la direction verticale. Une efficacité jusque 30% des atomes initiaux a été mesurée après le transport, qui s’abaisse à 10% après recapture dans le réseau vertical.Une séquence de transitions Raman stimulées permet alors la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau puis leur recombinaison. Cet interféromètre nous permet de remonter à la différence d’énergie entre ces puits, liée aux différents potentiels vus par les atomes. Une première mesure de force a ainsi pu être réalisée jusqu’à une distance de 1 µm de la surface et mettre clairement en évidence l’apparition d’un potentiel attractif. De premières analyses suggèrent toutefois qu’un champ électrique parasite dû à l’adsorption d’atomes de Rubidium sur la surface s’additionnent à la contribution due au potentiel de Casimir-Polder attendu.
À l’échelle du micromètre, les interactions atome-surface sont dominées par le potentiel de Casimir-Polder. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de l’expérience ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) où la mesure des forces à courte distance (de l’ordre du micromètre) est réalisée à l’aide d’atomes de 87Rb refroidis à des températures de l’ordre de quelques centaines de nano-kelvins et piégés dans un réseau optique vertical à proximité d’une surface diélectrique.Afin d’éviter la contamination de cette surface lors des étapes de refroidissement, les atomes sont préparés 30 cm plus bas. Nous prouvons l’efficacité de notre méthode de transport à l’aide d’oscillations de Bloch, permettant à la fois un contrôle satisfaisant de leur position finale sans échauffement ni élargissement excessif du nuage dans la direction verticale. Une efficacité jusque 30% des atomes initiaux a été mesurée après le transport, qui s’abaisse à 10% après recapture dans le réseau vertical.Une séquence de transitions Raman stimulées permet alors la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau puis leur recombinaison. Cet interféromètre nous permet de remonter à la différence d’énergie entre ces puits, liée aux différents potentiels vus par les atomes. Une première mesure de force a ainsi pu être réalisée jusqu’à une distance de 1 µm de la surface et mettre clairement en évidence l’apparition d’un potentiel attractif. De premières analyses suggèrent toutefois qu’un champ électrique parasite dû à l’adsorption d’atomes de Rubidium sur la surface s’additionnent à la contribution due au potentiel de Casimir-Polder attendu.
Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'avancement de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l'aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d'onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d'énergie entre ces puits, liée à l'incrément d'énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de dn/nB = 1,8.10-6 à l'état de l'art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d'un système de refroidissement évaporatif, afin d'augmenter le nombre d'atomes par puits, permet désormais d'explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011-1012 at/cm3, il est montré qu'un phénomène d'auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d'écho de spin. L'impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d'onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d'onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s'affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude.
Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'avancement de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l'aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d'onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d'énergie entre ces puits, liée à l'incrément d'énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de dn/nB = 1,8.10-6 à l'état de l'art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d'un système de refroidissement évaporatif, afin d'augmenter le nombre d'atomes par puits, permet désormais d'explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011-1012 at/cm3, il est montré qu'un phénomène d'auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d'écho de spin. L'impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d'onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d'onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s'affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude.
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.
Ce manuscrit présente les premières mesures de force à faible distance entre un atome et une surface, qui constituait l'objectif à terme du projet Forca-G. La mesure de force est réalisée par interférométrie avec des atomes piégés dans les puits de potentiel formés par un réseau optique vertical. Des transitions Raman stimulées permettent de mesurer la différence d'énergie entre deux puits, c'est-à-dire la force appliquée sur les atomes. En déplaçant les atomes à différentes distances du miroir de manière contrôlée à l'aide d'un ascenseur de Bloch, il est possible de mesurer les variations des forces de surface avec une résolution spatiale de l'ordre du micromètre. Au voisinage de la surface, une sensibilité sur la mesure de force de 3,4 x 10-28 N a été atteinte, à l'état de l'art pour les mesures de force de surface. À des distances de séparation atome-surface inférieure à la centaine de micromètres, des forces électrostatiques dominent, liées aux champs électrostatiques générés par des atomes adsorbés sur la surface. En modélisant ces champs, une autre force est mise en évidence : la force de Casimir-Polder. Ces champs électriques parasites ont pu être mesurés directement avec les atomes piégés, permettant de corriger, quoique imparfaitement, les mesures de l'impact des forces électrostatiques. Enfin, nous avons montré que l'amplitude et le sens des forces atomes-surface étaient modifiés par l'illumination de la surface par de la lumière UV, qui entraîne la charge la surface.