Interférométrie atomique : expériences d'interaction électromagnétique et conception d'un nouvel interféromètre à condensats de Bose-Einstein La première partie décrit trois expériences réalisées avec l'interféromètre atomique à jet de lithium supersonique développé à Toulouse. La seconde partie présente le nouvel interféromètre atomique à condensats de Bose-Einstein (CBE) développé dans le but de tester la neutralité de la matière. Les trois premières expériences exploitent l'interaction entre un atome de lithium et différents champs électromagnétiques. Une différence de potentiel électrique dépendant du temps a servi à moduler la phase des deux bras de notre interféromètre à des fréquences différentes, ce qui a permis une détection homodyne et hétérodyne d'ondes de matière. Une phase géométrique de la lumière (la phase de Pancharatnam) a été transférée à notre signal interférométrique par les réseaux de diffraction de Bragg ce qui a ajouté un nouvel outil à la panoplie permettant le contrôle d'ondes de matières. Enfin, un faisceau laser focalisé sur un seul des deux bras nous a permis de mesurer avec exactitude une des longueurs d'onde d'extinction du lithium (correspondant à une valeur de polarisabilité dynamique nulle). L'objectif du nouvel interféromètre à CBE est de réaliser une nouvelle mesure de la charge électrique résiduelle de la matière et en particulier des isotopes du rubidium 85Rb et 87Rb. Cette mesure nous permettra de connaître avec une plus grande sensibilité la différence de charge entre le proton et l'électron ainsi que la charge du neutron. Le principe de cette mesure repose sur une séparation spatiale importante entre les deux bras d'un interféromètre en fontaine ainsi que sur un temps de cycle de 5 s. Ces caractéristiques ont nécessité un travail de conception à la fois au niveau de la source (une puce à atome) et au niveau du phénomène de diffraction (séparation en impulsion importante) qui sera exposé dans un premier temps. Dans un second temps, les choix techniques en matière de chambre à vide, système laser et sources de champs magnétiques seront décrits et caractérisés. Enfin, les performances actuelles de cette source d'atomes froids seront présentées et comparées à nos attentes.
Interférométrie atomique : expériences d'interaction électromagnétique et conception d'un nouvel interféromètre à condensats de Bose-Einstein La première partie décrit trois expériences réalisées avec l'interféromètre atomique à jet de lithium supersonique développé à Toulouse. La seconde partie présente le nouvel interféromètre atomique à condensats de Bose-Einstein (CBE) développé dans le but de tester la neutralité de la matière. Les trois premières expériences exploitent l'interaction entre un atome de lithium et différents champs électromagnétiques. Une différence de potentiel électrique dépendant du temps a servi à moduler la phase des deux bras de notre interféromètre à des fréquences différentes, ce qui a permis une détection homodyne et hétérodyne d'ondes de matière. Une phase géométrique de la lumière (la phase de Pancharatnam) a été transférée à notre signal interférométrique par les réseaux de diffraction de Bragg ce qui a ajouté un nouvel outil à la panoplie permettant le contrôle d'ondes de matières. Enfin, un faisceau laser focalisé sur un seul des deux bras nous a permis de mesurer avec exactitude une des longueurs d'onde d'extinction du lithium (correspondant à une valeur de polarisabilité dynamique nulle). L'objectif du nouvel interféromètre à CBE est de réaliser une nouvelle mesure de la charge électrique résiduelle de la matière et en particulier des isotopes du rubidium 85Rb et 87Rb. Cette mesure nous permettra de connaître avec une plus grande sensibilité la différence de charge entre le proton et l'électron ainsi que la charge du neutron. Le principe de cette mesure repose sur une séparation spatiale importante entre les deux bras d'un interféromètre en fontaine ainsi que sur un temps de cycle de 5 s. Ces caractéristiques ont nécessité un travail de conception à la fois au niveau de la source (une puce à atome) et au niveau du phénomène de diffraction (séparation en impulsion importante) qui sera exposé dans un premier temps. Dans un second temps, les choix techniques en matière de chambre à vide, système laser et sources de champs magnétiques seront décrits et caractérisés. Enfin, les performances actuelles de cette source d'atomes froids seront présentées et comparées à nos attentes.
Ce manuscrit décrit les travaux d'interférométrie atomique que j'ai réalisés. Je commence par présenter quelques interféromètres atomiques et leurs applications, afin de situer nos travaux. Puis je décris l'interféromètre atomique que nous avons développé à Toulouse. Il s'agit d'un interféromètre de Mach-Zehnder, utilisant un jet thermique supersonique de lithium et la diffraction atomique par laser dans le régime de Bragg. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés spatialement, avec une distance maximale voisine de 100 ¹. Les excellentes performances, avec une visibilité des franges atomiques atteignant 84.5 % et un signal intense, mènent à une sensibilité en phase de 15 mrad/ p Hz. Nous avons utilisé cet interféromètre pour plusieurs expériences, en appliquant une perturbation sur un seul des deux bras de l'interféromètre. Si la perturbation est un champ électrique, nous mesurons la polarisabilité électrique du lithium, avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure. Si la perturbation est un gaz sous faible pression, nous mesurons l'indice de réfraction complexe de ce gaz pour une onde atomique de lithium. Si la perturbation est un nanoréseau, nous mesurons l'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre zéro et cette amplitude est très sensible à l'interaction de van der Waals entre l'atome de lithium et la surface du réseau. Une partie importante de ce manuscrit concerne les perspectives. Nous discutons des améliorations pour la mesure de la polarisabilité électrique de l'atome de lithium et nous espérons atteindre une précision suffisante pour tester les meilleurs calculs ab initio de cette quantité. Une autre application envisagée concerne une mise en évidence d'une nouvelle phase géométrique, prédite par la théorie en 1993, mais jamais observée jusqu'à présent. Enfin, nous souhaitons développer un interféromètre de deuxième génération, avec un jet de lithium ralenti et très intense. Cette nouvelle source augmentera le signal produit et le temps d'interaction, ce qui devrait permettre de détecter des perturbations beaucoup plus petites: une application particulièrement intéressante de ce nouvel interféromètre atomique est le test de la neutralité électrique des atomes, avec une sensibilité fortement améliorée.
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.
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.
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.
Cette thèse décrit la réalisation d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder utilisant le lithium. Cet appareil est constitué de trois réseaux de diffraction formés d'ondes stationnaires laser, quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium. Le processus de diffraction utilise le régime de Bragg, pour lequel un seul ordre de diffraction est autorisé, et il s'agit d'une diffraction élastique qui conserve l'énergie cinétique de l'atome, modifie son impulsion, sans changement de son état interne. Grâce à une importante collimation du jet atomique qui sert de source, les deux chemins atomiques qui interfèrent sont spatialement séparés, ce qui permettra d'introduire une perturbation sur un seul des deux chemins atomiques. Les premières figures d'interférences obtenues avec cet appareil sont présentées dans cette thèse. Ces résultats permettent d'attendre une très grande sensibilité en phase de l'interféromètre car les franges enregistrées sont très contrastées et le flux moyen est assez élevé. On trouvera, dans la première partie de cette thèse, une introduction historique présentant les avancées faites dans le domaine de la manipulation des atomes par la lumière et plus particulièrement en interférométrie atomique. Après une discussion théorique des principes mis en jeu dans cet interféromètre, le montage expérimental est décrit en détail, avec une attention particulière portée au fonctionnement du détecteur. Ensuite, les résultats des premières expériences sont présentés et analysés. Enfin, trois mesures prévues avec cet appareil sont discutées : la mesure de l'indice de réfraction d'un gaz pour une onde atomique, celle de la polarisabilité électrique statique du lithium et un test de la neutralité des atomes de lithium.
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.