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Développement d’un interféromètre atomique en cavité pour le projet MIGA

G. Lefèvre

Published May 10, 2019• 0 citations
Publisher

Abstract

Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.

DOI
10.70675/6a3093a2z130bz4418za9a0z591cf2a123f0

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•May 10, 2019•0 citations

Development of a cavity enhanced atom interferometer for the MIGA project

G. Lefèvre

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•May 10, 2019•0 citations

Development of a 88Sr atom interferometer

Chen-Hao Feng

Développement d’un interféromètre atomique avec atomes de 88Sr L'interférométrie atomique est une technologie quantique en pleine maturité qui fournit l'une des approches les plus précises pour explorer la physique fondamentale, par exemple pour rechercher la matière noire, et un jour pour observer les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences de 10 mHz à 10 Hz. Les interféromètres atomiques standard utilisent des transitions à deux photons de Bragg ou de Raman pour la manipulation cohérente des ondes de matière. Dans une configuration de Michelson pour la détection des ondes gravitationnelles à l'aide d'atomes, deux bras orthogonaux sont utilisés. Deux bras orthogonaux sont construits pour rejeter le bruit du laser, de la même manière que les interféromètres optiques. Les interféromètres atomiques qui utilisent une transition d'horloge optique pour la manipulation cohérente sont moins affectés par le bruit technique du laser et, par conséquent, les détecteurs à ligne de base unique deviennent plus efficaces. Les détecteurs à ligne de base unique deviennent réalisables.Au LP2N, nous construisons un gradiomètre verticale du champ de gravité sur l'interférométrie atomique en utilisant des atomes de strontium sondés sur une transition d'horloge. Le dispositif expérimental final mettra en œuvre une fontaine atomique de 6 mètres de haut pour réaliser la gradiométrie avec deux ou plusieurs nuages atomiques séparés.Dans ma thèse, je présente la réalisation du dispositif expérimental dans tous ses sous-systèmes, et les premières expériences avec des atomes à une temperature autour du millikelvin, obtenues avec le premier étage de refroidissement qui utilise de la lumière bleue. Le système laser pour la deuxième phase de refroidissement rouge et pour la manipulation cohérente est prêt ; entre-temps, nous avons réalisé un ralentisseur Zeeman à double fréquence qui améliore le flux atomique d'un facteur six. Nous présentons également l'étude d'un schéma original permettant d'obtenir une interaction lumière-atome pulsée et rapide dans une cavité à largeur de raie étroite en exploitant le décalage de Stark comme un commutateur à large bande passante ; cette technique pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de cavités à largeur de raie étroite - et notamment à leur montée en puissance élevée - dans plusieurs contextes, comme l'interférométrie atomique et l'information quantique.

•Oct 25, 2021•0 citations

Cavité à haute finesse pour la production et la détection de sources atomiques cohérentes

Etienne Cantin

Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.

•Nov 3, 2015•0 citations

Atom gradiometry for future Gravitational Wave Detectors

X. Zou

Gradiométrie atomique pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles Les ondes gravitationnelles nous permettent d’élargir notre connaissance de l’univers en transportant sur de très grandes distances les informations reliées aux variations de masses. La détection de ces ondes est de première importante non seulement pour la physique fondamentale mais également pour les aspects technologiques des mesures de haute précision. Différents observatoires d’ondes gravitationnelles sont en opération ou en construction à travers le monde, avec des bandes de détection allant de 10^-9 Hz to 10^4 Hz.L’expérience MIGA (Matter Wave Interferometer Gravitational Antenna) a pour but de construire un réseau de gradiomètres atomiques en cavité sur une longueur de base de 150 m au laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB). En comparaison avec les détecteurs optiques de type Michelson en cavité, les gradiomètre atomiques ouvrent la voie vers une détection en dessous du Hz, et peuvent permettre une détection dans une gamme de fréquence 0.1 Hz - 10 Hz complémentaire par rapport aux instruments existants ou en construction.Dans ce cadre, le LP2N réalise une expérience de démonstration consistant en un gradiomètre atomique en cavité basé sur deux sources d’atomes froids de Rb. Nous discutons dans cette thèse les progrès réalisés sur cette expérience. En particulier, la réalisation et le commissioning du système à vide ainsi que la caractérisation complète d’une des sources atomiques.Dans ce manuscrit, nous rapportons également les travaux théoriques réalisés dans un second volet de cette thèse et consistant à l’étude du couplage optimal entre un interféromètre atomique et une cavité optique pour la détection des ondes gravitationnelles. Nous présentons ainsi une géométrie originale de détection permettant d’obtenir une amplification du signal d’onde gravitationnel détecté par un interféromètre atomique.

•May 20, 2022•1 citation

Interférométrie atomique à grands transferts d'impulsion dans le régime de quasi-Bragg

Ashley Beguin

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.

•Apr 11, 2023•0 citations
Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.
Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.
Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.
Développement d’un interféromètre atomique avec atomes de 88Sr L'interférométrie atomique est une technologie quantique en pleine maturité qui fournit l'une des approches les plus précises pour explorer la physique fondamentale, par exemple pour rechercher la matière noire, et un jour pour observer les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences de 10 mHz à 10 Hz. Les interféromètres atomiques standard utilisent des transitions à deux photons de Bragg ou de Raman pour la manipulation cohérente des ondes de matière. Dans une configuration de Michelson pour la détection des ondes gravitationnelles à l'aide d'atomes, deux bras orthogonaux sont utilisés. Deux bras orthogonaux sont construits pour rejeter le bruit du laser, de la même manière que les interféromètres optiques. Les interféromètres atomiques qui utilisent une transition d'horloge optique pour la manipulation cohérente sont moins affectés par le bruit technique du laser et, par conséquent, les détecteurs à ligne de base unique deviennent plus efficaces. Les détecteurs à ligne de base unique deviennent réalisables.Au LP2N, nous construisons un gradiomètre verticale du champ de gravité sur l'interférométrie atomique en utilisant des atomes de strontium sondés sur une transition d'horloge. Le dispositif expérimental final mettra en œuvre une fontaine atomique de 6 mètres de haut pour réaliser la gradiométrie avec deux ou plusieurs nuages atomiques séparés.Dans ma thèse, je présente la réalisation du dispositif expérimental dans tous ses sous-systèmes, et les premières expériences avec des atomes à une temperature autour du millikelvin, obtenues avec le premier étage de refroidissement qui utilise de la lumière bleue. Le système laser pour la deuxième phase de refroidissement rouge et pour la manipulation cohérente est prêt ; entre-temps, nous avons réalisé un ralentisseur Zeeman à double fréquence qui améliore le flux atomique d'un facteur six. Nous présentons également l'étude d'un schéma original permettant d'obtenir une interaction lumière-atome pulsée et rapide dans une cavité à largeur de raie étroite en exploitant le décalage de Stark comme un commutateur à large bande passante ; cette technique pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de cavités à largeur de raie étroite - et notamment à leur montée en puissance élevée - dans plusieurs contextes, comme l'interférométrie atomique et l'information quantique.
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
Gradiométrie atomique pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles Les ondes gravitationnelles nous permettent d’élargir notre connaissance de l’univers en transportant sur de très grandes distances les informations reliées aux variations de masses. La détection de ces ondes est de première importante non seulement pour la physique fondamentale mais également pour les aspects technologiques des mesures de haute précision. Différents observatoires d’ondes gravitationnelles sont en opération ou en construction à travers le monde, avec des bandes de détection allant de 10^-9 Hz to 10^4 Hz.L’expérience MIGA (Matter Wave Interferometer Gravitational Antenna) a pour but de construire un réseau de gradiomètres atomiques en cavité sur une longueur de base de 150 m au laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB). En comparaison avec les détecteurs optiques de type Michelson en cavité, les gradiomètre atomiques ouvrent la voie vers une détection en dessous du Hz, et peuvent permettre une détection dans une gamme de fréquence 0.1 Hz - 10 Hz complémentaire par rapport aux instruments existants ou en construction.Dans ce cadre, le LP2N réalise une expérience de démonstration consistant en un gradiomètre atomique en cavité basé sur deux sources d’atomes froids de Rb. Nous discutons dans cette thèse les progrès réalisés sur cette expérience. En particulier, la réalisation et le commissioning du système à vide ainsi que la caractérisation complète d’une des sources atomiques.Dans ce manuscrit, nous rapportons également les travaux théoriques réalisés dans un second volet de cette thèse et consistant à l’étude du couplage optimal entre un interféromètre atomique et une cavité optique pour la détection des ondes gravitationnelles. Nous présentons ainsi une géométrie originale de détection permettant d’obtenir une amplification du signal d’onde gravitationnel détecté par un interféromètre atomique.
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.