Réalisation d’une expérience d’atomes froids dans une fibre à coeur creux : vers la cristallisation spontanée Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée.
Réalisation d’une expérience d’atomes froids dans une fibre à coeur creux : vers la cristallisation spontanée Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée.
Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.
Cette these s'interesse a la problematique de l'etude experimentale du transport quantique d'ondes de matiere avec des atomes froids. Ceux-ci etant facilement controlables, ils offrent la possibilite de creer des systemes d'etude ideaux, notamment pour tester des theories de matiere condensee. L'ensemble du systeme experimental utilise pour cela est decrit en detail dans le manuscrit. Il permet de realiser des experiences aussi bien a une dimension qu'a trois dimensions, a partir de l'expansion coherente d'ondes de matieres issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous interessons en particulier au probleme du transport quantique dans les milieux desordonnes, qui conduit au phenomene de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les resultats recemment obtenus a une dimension, qui ont permis d'observer directement le phenomene avec des ondes de matiere. Nous presentons ensuite les premieres etapes d'une experience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparait dans les systemes tridimensionnels. Enfin, nous presentons une etude detaillee d'un laser a atomes guides, qui pourrait se reveler etre un outil particulierement adapte a l'etude des phenomenes de transport quantique d'ondes de matiere. Il permet en effet de controler de facon independante l'energie des ondes de matiere extraites, ainsi que le flux atomique a l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liees a sa generation par une transition radiofrequence, aussi bien qu'a sa propagation dans un guide d'onde, sont donnees.
L’étude expérimentale d’états intriqués avec un grand nombre d’atomes et de leurs applications constitue l’un des domaines les plus dynamiques de la physique atomique, moléculaire et optique moderne. De nombreuses techniques expérimentales ont émergé au cours des dernières décennies pour étudier des systèmes intriqués. Des atomes froids piégés dans le vide se sont avérés être une technique puissante pour la manipulation de ces systèmes. Parmi la grande variété de dispositifs expérimentaux dans le domaine des atomes froids, le champ de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED) permet de produire et contrôler des interactions à longue portée, ainsi que de tomographier des états quantiques via des mesures non-destructives. Cette thèse rend compte de la conception et de la construction d’un nouveau dispositif expérimental d’atomes froids permettant le refroidissement optique du strontium pour le chargement rapide et fiable d’une cavité miniaturisée. Dans ce but, un système à vide compact comprenant une source d’un jet atomique efficace a été conçu et mis en place. La caractéristique principale de cette nouvelle expérience sera l’intégration d’une cavité en anneau qui permet d’intriquer des ensembles atomiques. Outre le montage de la nouvelle expérience, un prototype d’une nouvelle génération de résonateurs en anneau a été conçu et étudié expérimentalement au cours de cette thèse. C’est la cavité en anneau la plus compacte et courte à ce jour. En outre, afin de compenser l’astigmatisme intrinsèque des cavités en anneau, une structure de miroir elliptique a été fabriquée sur une pointe de fibre, à l’aide une procédure d’usinage par tirs multiples d’un laser CO2 focalisé.
Les révolutions quantiques du XXe siècle ont vu l'émergence de nouveaux capteurs de haute précision, appelés senseurs inertiels à onde de matière. L'utilisation de ces senseurs pour étudier le champ gravitationnel terrestre pourrait contribuer à résoudre l'un des grands mystères de la physique fondamentale : le principe d'équivalence faible, qui postule que la masse des corps n'affecte pas leur chute. Cependant, ce postulat fondamental de la relativité générale est remis en question par certaines théories cherchant à unifier la mécanique quantique et la gravité.La réalisation d'un test expérimental pour examiner cette question est essentielle, mais elle nécessite un long temps de chute libre, qui n'est réalisable que depuis l'espace. La conception d'un démonstrateur spatial nécessite une avancée technologique significative. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ICE, qui consiste en un prototype de laboratoire pour de futures missions spatiales. Cette expérience est testée à bord de l'avion Zéro-G ainsi que sur un simulateur de microgravité au sein du laboratoire.L'objectif principal est de mesurer l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes, le rubidium 87 et le potassium 39, en utilisant une méthode interférométrique. Ces atomes sont utilisés comme masses d'épreuve. Pour réaliser la mesure avec une grande précision, il est nécessaire d'abaisser la température des nuages atomiques avec des techniques de refroidissement laser.Le présent manuscrit présente les premiers résultats obtenus concernant la production de nuages d'atomes ultra-froids à bord de l'avion Zéro-G, grâce à des techniques de refroidissement évaporatif tout-optique. De plus, notre simulateur de microgravité, doté d'un accès illimité et d'un taux de répétition élevé, nous a permis d'obtenir des résultats en interférométrie atomique avec de longs temps d'interrogation. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d'un test de haute sensibilité du principe d'équivalence sur cette plateforme.
Mémoires quantiques pour la lumière avec des atomes froids : une implémentation en espace libre pour un stockage multimode ou une implémentation à base de nano-fibres pour une meilleure efficacité de collection. Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.