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.
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.
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.
Le projet ForCa-G (pour Force de Casimir-Polder et Gravitation) a pour objectif ultime la mesure de forces à courte distance entre un atome et une surface macroscopique. Notre capteur de force met en jeu des atomes de 87Rb piégés dans un réseau optique vertical où des transitions Raman à deux photons permettent de réaliser une superposition cohérente d'états spatialement séparés et de mesurer par interférométrie atomique la variation du potentiel dans la direction verticale. Au vu de la forte dépendance en position des forces d'interaction atome-surface, une très haute résolution spatiale du capteur est requise. Une résolution spatiale micrométrique de la mesure de force est atteinte en diminuant la taille de la source atomique par refroidissement évaporatif. La sensibilité relative, obtenue pour la mesure de la force de pesanteur, de 5 x 10-6 à 1 s, qui s'intègre jusqu'à 8 x 10-8 en 1 h, est à l'état de l'art pour une telle résolution spatiale. L'amélioration de cette résolution implique une augmentation de la densité atomique. Une étude des interactions atomiques est alors réalisée dans la configuration particulière de notre interféromètre à atomes piégés où nous avons un contrôle cohérent sur le recouvrement des paquets d'onde. Afin d'obtenir une résolution spatiale encore meilleure, nous voulons sélectionner un unique état propre du système. Notre choix s'est porté sur la mise en place d'un super-réseau qui lève la dégénérescence de l'incrément en énergie entre puits adjacents.
Le projet ForCa-G (pour Force de Casimir-Polder et Gravitation) a pour objectif ultime la mesure de forces à courte distance entre un atome et une surface macroscopique. Notre capteur de force met en jeu des atomes de 87Rb piégés dans un réseau optique vertical où des transitions Raman à deux photons permettent de réaliser une superposition cohérente d'états spatialement séparés et de mesurer par interférométrie atomique la variation du potentiel dans la direction verticale. Au vu de la forte dépendance en position des forces d'interaction atome-surface, une très haute résolution spatiale du capteur est requise. Une résolution spatiale micrométrique de la mesure de force est atteinte en diminuant la taille de la source atomique par refroidissement évaporatif. La sensibilité relative, obtenue pour la mesure de la force de pesanteur, de 5 x 10-6 à 1 s, qui s'intègre jusqu'à 8 x 10-8 en 1 h, est à l'état de l'art pour une telle résolution spatiale. L'amélioration de cette résolution implique une augmentation de la densité atomique. Une étude des interactions atomiques est alors réalisée dans la configuration particulière de notre interféromètre à atomes piégés où nous avons un contrôle cohérent sur le recouvrement des paquets d'onde. Afin d'obtenir une résolution spatiale encore meilleure, nous voulons sélectionner un unique état propre du système. Notre choix s'est porté sur la mise en place d'un super-réseau qui lève la dégénérescence de l'incrément en énergie entre puits adjacents.