Mise en place d'une expérience d'interférométrie atomique basée sur le strontium L'interférométrie atomique est un outil formidable pour explorer à la fois la physique fondamentale et appliquée. Alors que les recherches antérieures se concentraient principalement sur les atomes alcalins, un intérêt croissant s'est porté sur l'utilisation de la transition d'horloge des atomes similaires aux alcalino-terreux, en particulier le strontium. Par conséquent, quelques interféromètres atomiques utilisant du strontium ont été mis en place dans le monde entier au cours des dernières années.Le principal objectif de ce travail est double : premièrement, développer une source compacte et à haut flux d'atomes froids de 88Sr en utilisant un nouveau ralentisseur Zeeman , une technique qui permet de décélérer efficacement le faisceau atomique thermique produit par un four en utilisant des lasers et des champs magnétiques. Deuxièmement, cette thèse explore les aspects fondamentaux d'un interféromètre atomique basé sur l'isotope 88 du strontium.
Mise en place d'une expérience d'interférométrie atomique basée sur le strontium L'interférométrie atomique est un outil formidable pour explorer à la fois la physique fondamentale et appliquée. Alors que les recherches antérieures se concentraient principalement sur les atomes alcalins, un intérêt croissant s'est porté sur l'utilisation de la transition d'horloge des atomes similaires aux alcalino-terreux, en particulier le strontium. Par conséquent, quelques interféromètres atomiques utilisant du strontium ont été mis en place dans le monde entier au cours des dernières années.Le principal objectif de ce travail est double : premièrement, développer une source compacte et à haut flux d'atomes froids de 88Sr en utilisant un nouveau ralentisseur Zeeman , une technique qui permet de décélérer efficacement le faisceau atomique thermique produit par un four en utilisant des lasers et des champs magnétiques. Deuxièmement, cette thèse explore les aspects fondamentaux d'un interféromètre atomique basé sur l'isotope 88 du strontium.
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.
Optimisation d'ondes de matière cohérentes pour l'interférométrie atomique de précision Depuis une dizaine d'années, le développement des techniques de refroidissement laser et de piégeage atomique a permis la réalisation d'une multitude de dispositifs et de capteurs basés sur les atomes froids. De la réalisation d'horloges atomiques très précises à la mesure des constantes fondamentales de la physique, ces dispositifs repoussent en permanence les limites des phénomènes quantiques explorés.Une technique très commune mise en pratique dans ces expériences implique l'interférométrie atomique, où la nature ondulatoire de la matière est prédominante proche de la température du zéro absolu. Les interféromètres atomiques atteignent un niveau de précision permettant de tester les principes et les prédictions fondamentales de la physique moderne, comme le principe d'équivalence faible de Einstein ou la détection des ondes gravitationnelles par exemple. Ces expériences nécessitent des durées longues pour les mesures interférométriques, de l'ordre de (ou supérieures à) quelques secondes, et des sources à ondes de matière optimisées, dont la dynamique est parfaitement contrôlée. Ces expériences nécessitent une préparation et une collimation contrôlée d'ensembles atomiques en expansion, avec des vitesses inférieures à 100 micromètres par seconde, ce qui correspond à des températures T < nK. Dans mon projet de nature théorique, nous nous attachons à développer l'ingénierie quantique des états de condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes alcalins remplissant ces conditions inhabituelles de température.Pour réaliser ce type d'expériences, les expérimentateurs ont recours à l'utilisation des puces atomiques, qui sont des surfaces compactes micro-structurées. L'usage de ces dernières introduit des problèmes du type interaction atome-surface. Pour s'assurer du bon déroulement de l'expérience, on doit transporter le condensat loin de la puce sans l'exciter. On présente un ensemble d'outils théoriques pour manipuler ces BECs. La dynamique des condensats est traitée en calculant l'évolution temporelle d'un paquet d'ondes 3D avec un grand nombre d'atomes en interaction, en résolvant numériquement l'équation de Gross-Pitaevskii (GPE). Une technique dite de «scaling», qui consiste à réadapter les grilles est utilisée pour traiter la dynamique quantique 3D des condensats en phase d'expansion, qui ont rapidement de grandes tailles. Cette technique est purement numérique. Une application est prévue pour l'expérience «Quantus» qui se déroule en micro-gravité dans la tour de Brême. De plus, différentes procédures semi-classiques ont été détaillées pour traiter le transport macroscopique cohérent des condensats sur un dispositif à puce atomique. Des approches classiques basées sur le principe de la rétro-ingénierie et du raccourci vers l'adiabaticité (STA) ont ensuite été détaillées. Les premiers calculs basés sur l'ingénierie inverse et la GPE nous ont permis de prédire des conditions de transport réalistes pour préparer un nuage atomique optimisé pour l'interférométrie atomique, avec des vitesses d'expansion dans le domaine de sous-10pk. Cependant, cette approche souffre de certaines limites en termes de contrôle de l'état final du système. Afin d'aller plus loin, un nouveau modèle utilisant la théorie du contrôle optimal (OCT) est détaillé et développé. Ces approches permettent de prédire les variations des paramètres de contrôle (champ magnétique temporel par exemple) à réaliser pour transporter de manière parfaitement maîtrisée le condensat loin de la puce atomique. Le contrôle optimal du transport des BECs, une méthode qui nous a permis de montrer qu'il était possible de préparer l'état fondamental du piège final lors d'un transport rapide.Dans une dernière étape, nous utilisons cette technique optimale pour collimater de manière optimale le BEC en utilisant le delta kick-collimation (DKC) pour assurer une séquence temporelle plus courte et pour préparer l'entrée d'onde de matière la plus froide pour l'étape d'interférométrie.
Depuis une dizaine d'années, le développement des techniques de refroidissement laser et de piégeage atomique a permis la réalisation d'une multitude de dispositifs et de capteurs basés sur les atomes froids. De la réalisation d'horloges atomiques très précises à la mesure des constantes fondamentales de la physique, ces dispositifs repoussent en permanence les limites des phénomènes quantiques explorés.Une technique très commune mise en pratique dans ces expériences implique l'interférométrie atomique, où la nature ondulatoire de la matière est prédominante proche de la température du zéro absolu. Les interféromètres atomiques atteignent un niveau de précision permettant de tester les principes et les prédictions fondamentales de la physique moderne, comme le principe d'équivalence faible de Einstein ou la détection des ondes gravitationnelles par exemple. Ces expériences nécessitent des durées longues pour les mesures interférométriques, de l'ordre de (ou supérieures à) quelques secondes, et des sources à ondes de matière optimisées, dont la dynamique est parfaitement contrôlée. Ces expériences nécessitent une préparation et une collimation contrôlée d'ensembles atomiques en expansion, avec des vitesses inférieures à 100 micromètres par seconde, ce qui correspond à des températures T < nK. Dans mon projet de nature théorique, nous nous attachons à développer l'ingénierie quantique des états de condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes alcalins remplissant ces conditions inhabituelles de température.Pour réaliser ce type d'expériences, les expérimentateurs ont recours à l'utilisation des puces atomiques, qui sont des surfaces compactes micro-structurées. L'usage de ces dernières introduit des problèmes du type interaction atome-surface. Pour s'assurer du bon déroulement de l'expérience, on doit transporter le condensat loin de la puce sans l'exciter. On présente un ensemble d'outils théoriques pour manipuler ces BECs. La dynamique des condensats est traitée en calculant l'évolution temporelle d'un paquet d'ondes 3D avec un grand nombre d'atomes en interaction, en résolvant numériquement l'équation de Gross-Pitaevskii (GPE). Une technique dite de «scaling», qui consiste à réadapter les grilles est utilisée pour traiter la dynamique quantique 3D des condensats en phase d'expansion, qui ont rapidement de grandes tailles. Cette technique est purement numérique. Une application est prévue pour l'expérience «Quantus» qui se déroule en micro-gravité dans la tour de Brême. De plus, différentes procédures semi-classiques ont été détaillées pour traiter le transport macroscopique cohérent des condensats sur un dispositif à puce atomique. Des approches classiques basées sur le principe de la rétro-ingénierie et du raccourci vers l'adiabaticité (STA) ont ensuite été détaillées. Les premiers calculs basés sur l'ingénierie inverse et la GPE nous ont permis de prédire des conditions de transport réalistes pour préparer un nuage atomique optimisé pour l'interférométrie atomique, avec des vitesses d'expansion dans le domaine de sous-10pk. Cependant, cette approche souffre de certaines limites en termes de contrôle de l'état final du système. Afin d'aller plus loin, un nouveau modèle utilisant la théorie du contrôle optimal (OCT) est détaillé et développé. Ces approches permettent de prédire les variations des paramètres de contrôle (champ magnétique temporel par exemple) à réaliser pour transporter de manière parfaitement maîtrisée le condensat loin de la puce atomique. Le contrôle optimal du transport des BECs, une méthode qui nous a permis de montrer qu'il était possible de préparer l'état fondamental du piège final lors d'un transport rapide.Dans une dernière étape, nous utilisons cette technique optimale pour collimater de manière optimale le BEC en utilisant le delta kick-collimation (DKC) pour assurer une séquence temporelle plus courte et pour préparer l'entrée d'onde de matière la plus froide pour l'étape d'interférométrie.
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.
Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de Strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les différents types d'horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique qui a d'abord été formulé dans le cadre d'une horloge à 87Sr utilisant la transition 1S0 - 3P0. Les particularités de cet atome sont présentées, notamment la notion de longueur d'onde magique de piégeage, ainsi que les performances qui sont envisageables pour une telle horloge. La deuxième partie présente les aspects expérimentaux, en insistant plus particulièrement sur le développement du laser ultra-stable qui est utilisé pour l'interrogation des atomes et qui représente un point central. Parmi les dernières améliorations, une phase de pompage optique et d'interrogation en présence d'un champ magnétique a été ajoutée au dispositif de manière à mieux déterminer l'effet Zeeman. Enfin, la dernière partie présente les résultats expérimentaux. La dernière évaluation de l'horloge à 87Sr a permis d'atteindre une exactitude de 2,6.10-15 et une mesure en accord au niveau de 10-15 avec une évaluation indépendante faite au JILA. D'autre part, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure a également été effectuée en utilisant l'isotope bosonique 88Sr et en adaptant le dispositif expérimental, permettant d'obtenir la première évaluation pour ce type d'horloge, avec une exactitude de 7.10-14.
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.