Interférométrie atomique utilisant un peigne de fréquences et progrès sur la mesure du recul atomique Ma thèse s'est concentrée sur deux sujets dans le domaine des mesures de précisions utilisant l'interférométrie atomique : le premier visait à développer un interféromètre atomique utilisant un peigne de fréquence, et le second visait à améliorer la précision de mesure du recul atomique pour déterminer la constante de structure fine, alpha. Tout d'abord, j'ai réussi à démontrer pour la première fois un interféromètre atomique basé sur des transitions Raman stimulées par un laser picoseconde, réalisant un gravimètre atomique avec une sensibilité relative de 10^{-7} en 5 minutes de temps d'intégration. Il a fallu pour cela mettre au point un système de contrôle de la ligne à retard qui a permis aux impulsions picosecondes de se superposer au nuage atomique en chute libre pendant 60 ms. Ceci a permis la réalisation d'un nouvel interféromètre basé sur des impulsions pi/2-pi-pi-pi/2 où les atomes peuvent être adressés localement dans chaque bras de l'interféromètre. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des études théoriques et des simulations numériques. Deuxièmement, j'ai étudié les effets systématiques limitant la précision de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de Rubidium. Des expériences avec un condensat de Bose-Einstein (BEC) ont révélé une sensibilité aux fluctuations locales de l'intensité du laser, ce qui a conduit à une nouvelle méthode robuste pour sonder le profil d'intensité du faisceau laser à l'intérieur de la chambre à vide. J'ai conçu, fabriqué et caractérisé de nouveaux collimateurs pour les faisceaux Raman et Bloch. Une optimisation minutieuse des paramètres expérimentaux a permis de réduire l'incertitude d'une mesure de 30%. De plus, grâce au BEC, nous avons observé un effet systématique lié à une réflexion parasite. Différents schémas de verrouillage de phase pour les lasers Raman ont été mis en œuvre et comparés afin de mieux comprendre l'impact de cet asservissement sur la valeur mesurée.
Interférométrie atomique utilisant un peigne de fréquences et progrès sur la mesure du recul atomique Ma thèse s'est concentrée sur deux sujets dans le domaine des mesures de précisions utilisant l'interférométrie atomique : le premier visait à développer un interféromètre atomique utilisant un peigne de fréquence, et le second visait à améliorer la précision de mesure du recul atomique pour déterminer la constante de structure fine, alpha. Tout d'abord, j'ai réussi à démontrer pour la première fois un interféromètre atomique basé sur des transitions Raman stimulées par un laser picoseconde, réalisant un gravimètre atomique avec une sensibilité relative de 10^{-7} en 5 minutes de temps d'intégration. Il a fallu pour cela mettre au point un système de contrôle de la ligne à retard qui a permis aux impulsions picosecondes de se superposer au nuage atomique en chute libre pendant 60 ms. Ceci a permis la réalisation d'un nouvel interféromètre basé sur des impulsions pi/2-pi-pi-pi/2 où les atomes peuvent être adressés localement dans chaque bras de l'interféromètre. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des études théoriques et des simulations numériques. Deuxièmement, j'ai étudié les effets systématiques limitant la précision de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de Rubidium. Des expériences avec un condensat de Bose-Einstein (BEC) ont révélé une sensibilité aux fluctuations locales de l'intensité du laser, ce qui a conduit à une nouvelle méthode robuste pour sonder le profil d'intensité du faisceau laser à l'intérieur de la chambre à vide. J'ai conçu, fabriqué et caractérisé de nouveaux collimateurs pour les faisceaux Raman et Bloch. Une optimisation minutieuse des paramètres expérimentaux a permis de réduire l'incertitude d'une mesure de 30%. De plus, grâce au BEC, nous avons observé un effet systématique lié à une réflexion parasite. Différents schémas de verrouillage de phase pour les lasers Raman ont été mis en œuvre et comparés afin de mieux comprendre l'impact de cet asservissement sur la valeur mesurée.
Ma thèse s'est concentrée sur deux sujets dans le domaine des mesures de précisions utilisant l'interférométrie atomique : le premier visait à développer un interféromètre atomique utilisant un peigne de fréquence, et le second visait à améliorer la précision de mesure du recul atomique pour déterminer la constante de structure fine, alpha. Tout d'abord, j'ai réussi à démontrer pour la première fois un interféromètre atomique basé sur des transitions Raman stimulées par un laser picoseconde, réalisant un gravimètre atomique avec une sensibilité relative de 10^{-7} en 5 minutes de temps d'intégration. Il a fallu pour cela mettre au point un système de contrôle de la ligne à retard qui a permis aux impulsions picosecondes de se superposer au nuage atomique en chute libre pendant 60 ms. Ceci a permis la réalisation d'un nouvel interféromètre basé sur des impulsions pi/2-pi-pi-pi/2 où les atomes peuvent être adressés localement dans chaque bras de l'interféromètre. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des études théoriques et des simulations numériques. Deuxièmement, j'ai étudié les effets systématiques limitant la précision de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de Rubidium. Des expériences avec un condensat de Bose-Einstein (BEC) ont révélé une sensibilité aux fluctuations locales de l'intensité du laser, ce qui a conduit à une nouvelle méthode robuste pour sonder le profil d'intensité du faisceau laser à l'intérieur de la chambre à vide. J'ai conçu, fabriqué et caractérisé de nouveaux collimateurs pour les faisceaux Raman et Bloch. Une optimisation minutieuse des paramètres expérimentaux a permis de réduire l'incertitude d'une mesure de 30%. De plus, grâce au BEC, nous avons observé un effet systématique lié à une réflexion parasite. Différents schémas de verrouillage de phase pour les lasers Raman ont été mis en œuvre et comparés afin de mieux comprendre l'impact de cet asservissement sur la valeur mesurée.
Mes travaux de thèse ont porté sur la détermination de la constante de structure fine à partir de la mesure du rapport 'h/m' entre la constante de Planck et la masse atomique qui limite actuellement l'exactitude de la constante de structure fine. Notre approche pour obtenir une valeur du 'h/m' est basée sur la mesure combinée de la vitesse de recul induite par l'absorption des photons et de la fréquence des lasers utilisés pour manipuler les ondes atomiques. Durant mes deux premières années, j'ai été particulièrement impliqué dans l'étude et l'évaluation de trois effets systématiques : 1) L'effet systématique dû à la distorsion du front d'onde et du profil d'intensité, 2) Le décalage lumineux résiduel dû à l'expansion du nuage atomique, 3) Un déphasage électronique dans la boucle à verrouillage de phase des lasers Raman. Comme les deux effets systématiques les plus importants sont étroitement liés à la température transverse du nuage atomique, l'atténuation de ces effets nécessite une source atomique plus petite et plus froide, un condensat de Bose-Einstein (BEC) serait une bonne option pour nous. J'ai ensuite travaillé sur la production d'un BEC de 200 000 atomes avec une séquence d'évaporation de 1,7 s dans un piège tout optique. J'ai observé un gradient de phase intéressant à la fin de la séquence de l'interféromètre atomique qui est dû aux interactions atomiques mutuelles. Ainsi, la deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de l'effet d'interaction atomique dans le BEC en utilisant l'interféromètre à atomes de Mach-Zehnder. J'ai développé deux modèles théoriques différents pour comprendre et évaluer le déphasage dû aux interactions atomiques en fonction de paramètres expérimentaux tels que le déséquilibre de populations entre les deux bras de l'interféromètre, le temps de relâchement du BEC et les fréquences de piège. Ces modèles reproduisent les mesures expérimentales sans aucun ajustement. A la fin de ma thèse, j'ai réalisé une évaluation préliminaire de l'incertitude statistiques sur la mesure du rapport h/m en utilisant un BEC.
Interférométrie atomique avec le condensat de Bose-Einstein : vers une détermination de la constante de structure fine α Mes travaux de thèse ont porté sur la détermination de la constante de structure fine à partir de la mesure du rapport 'h/m' entre la constante de Planck et la masse atomique qui limite actuellement l'exactitude de la constante de structure fine. Notre approche pour obtenir une valeur du 'h/m' est basée sur la mesure combinée de la vitesse de recul induite par l'absorption des photons et de la fréquence des lasers utilisés pour manipuler les ondes atomiques. Durant mes deux premières années, j'ai été particulièrement impliqué dans l'étude et l'évaluation de trois effets systématiques : 1) L'effet systématique dû à la distorsion du front d'onde et du profil d'intensité, 2) Le décalage lumineux résiduel dû à l'expansion du nuage atomique, 3) Un déphasage électronique dans la boucle à verrouillage de phase des lasers Raman. Comme les deux effets systématiques les plus importants sont étroitement liés à la température transverse du nuage atomique, l'atténuation de ces effets nécessite une source atomique plus petite et plus froide, un condensat de Bose-Einstein (BEC) serait une bonne option pour nous. J'ai ensuite travaillé sur la production d'un BEC de 200 000 atomes avec une séquence d'évaporation de 1,7 s dans un piège tout optique. J'ai observé un gradient de phase intéressant à la fin de la séquence de l'interféromètre atomique qui est dû aux interactions atomiques mutuelles. Ainsi, la deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de l'effet d'interaction atomique dans le BEC en utilisant l'interféromètre à atomes de Mach-Zehnder. J'ai développé deux modèles théoriques différents pour comprendre et évaluer le déphasage dû aux interactions atomiques en fonction de paramètres expérimentaux tels que le déséquilibre de populations entre les deux bras de l'interféromètre, le temps de relâchement du BEC et les fréquences de piège. Ces modèles reproduisent les mesures expérimentales sans aucun ajustement. A la fin de ma thèse, j'ai réalisé une évaluation préliminaire de l'incertitude statistiques sur la mesure du rapport h/m en utilisant un BEC.
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.
L’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Afin de quantifier l’impact de ces effets, nous avons développé une simulation Monte Carlo permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience j’ai mis en place un modèle numérique complet reproduisant la séquence interférométrique et les protocoles de mesure. Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplace- ment lumineux des niveaux d’énergie. J’ai par ailleurs développé un modèle reproduisant le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, j’ai adapté la simulation Monte Carlo à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. J’ai d’abord évalué la contribution de la phase de Gouy ainsi que de la courbure de phase des faisceaux. J’ai également modélisé la distribution des valeurs mesurées du recul atomique dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.
L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance. Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport à l'état précédent. Une sensibilité de 2x10-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques. L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces à faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2x10-5 g/Hz1/2 sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 m. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés à été effectuée, qui sera utile dans les mesures futures.