Étude théorique d'expériences de gaz quantiques dans un laboratoire en orbite terrestre Un des principaux objectifs de la physique fondamentale est d'unifier la relativité générale, qui décrit les phénomènes macroscopiques régis par l'influence de la gravité, à la mécanique quantique, qui se concentre sur les effets à l'échelle microscopique. Les ensembles d'atomes froids, en tant qu'objets massifs quantiques, se trouvent au croisement de ces deux théories et paraissent comme des sujets de tests idéaux. Ils peuvent être utilisés pour tester des théories qui postulent une violation des principes d'équivalence d'Einstein et en particulier une violation de l'universalité de la chute libre (UFF).Des propositions récentes suggèrent d'utiliser des mélanges de condensats de Bose-Einstein (BEC) comme sources d'interféromètres atomiques de précision pour implémenter des tests UFF. Ces expériences ont le potentiel d'atteindre et même de dépasser la précision des meilleurs tests réalisés avec des masses classiques durant la mission MICROSCOPE. L'exécution d'expériences en microgravité permet des temps d'interrogation plus longs, améliorant par conséquent les performances des capteurs à ondes de matière. Pour optimiser l'implémentation des tests UFF, il est nécessaire d'avoir un contrôle parfait des atomes dû aux exigences strictes sur le budget d'erreurs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la conception d'états d'entrée avec un contrôle en position et vitesse des nuages d'atomes, ainsi que leurs évolutions en taille.Les expériences étudiées ici sont conçues avec des montages avec puce atomique qui manipulent les atomes à l'aide de pièges magnétiques. La plupart des applications présentées sont des expériences réalisées dans le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA à bord de la Station Spatiale Internationale dans le cadre du Consortium for Ultracold Atoms in Space. Cette machine à BEC multi-utilisateur permet la manipulation de BEC simple-espèce à son installation ainsi que celle de mélanges de BEC double-espèces après des améliorations. En suivant cette chronologie, nous étudions d'abord la dynamique de BEC simple-espèce puis étendons ce travail à la manipulation d'un mélange de deux BECs en interaction. La première étape après la calibration du modèle à puce est de concevoir un transport rapide et robuste pour éloigner les atomes de la puce. Nous présentons et utilisons un protocole de raccourci à l'adiabaticité sur la base de rétro-ingénierie, pour transporter le BEC et atteindre les exigences sur le contrôle de la position et vitesse finale. L'expansion libre du nuage atomique avec la chute inhérente de densité rend la détection du signal difficile. Par analogie avec la lumière, il est possible de collimater le nuage atomique avec une lentille atomique à l'aide de la technique de Delta-Kick Collimation. Les applications à CAL ont abouti à des énergies d'expansion de l'ordre de la dizaine de pK. Pour simuler le processus d'imagerie et soutenir l'analyse de données, des modèles théoriques qui prennent en compte les effets de résolution de la caméra et les changements de repères associés à l'orientation de la caméra ou l'orientation du potentiel de piégeage par rapport à la puce atomique sont présentés.L'espace permet la manipulation de mélanges de condensats de Bose-Einstein sous des conditions de miscibilité impossibles à obtenir au sol. La colocation des centres des pièges pour les différentes espèces en microgravité peut mener à des topologies différentes de l'état fondamental du piège. De plus, l'énergie d'interaction entre les espèces peut jouer un rôle significatif dans la dynamique du mélange lors de son transport. Cependant, la simulation de la dynamique de mélanges de BEC double-espèces en interaction est un défi sur le plan des ressources informatiques, surtout à cause des longues durées d'expansion. Dans ce travail, des méthodes de mise à l'échelle pour dépasser ces limitations sont présentées et illustrées dans des cas d'expériences dans l'espace dans CAL et à bord de fusées-sondes.
Étude théorique d'expériences de gaz quantiques dans un laboratoire en orbite terrestre Un des principaux objectifs de la physique fondamentale est d'unifier la relativité générale, qui décrit les phénomènes macroscopiques régis par l'influence de la gravité, à la mécanique quantique, qui se concentre sur les effets à l'échelle microscopique. Les ensembles d'atomes froids, en tant qu'objets massifs quantiques, se trouvent au croisement de ces deux théories et paraissent comme des sujets de tests idéaux. Ils peuvent être utilisés pour tester des théories qui postulent une violation des principes d'équivalence d'Einstein et en particulier une violation de l'universalité de la chute libre (UFF).Des propositions récentes suggèrent d'utiliser des mélanges de condensats de Bose-Einstein (BEC) comme sources d'interféromètres atomiques de précision pour implémenter des tests UFF. Ces expériences ont le potentiel d'atteindre et même de dépasser la précision des meilleurs tests réalisés avec des masses classiques durant la mission MICROSCOPE. L'exécution d'expériences en microgravité permet des temps d'interrogation plus longs, améliorant par conséquent les performances des capteurs à ondes de matière. Pour optimiser l'implémentation des tests UFF, il est nécessaire d'avoir un contrôle parfait des atomes dû aux exigences strictes sur le budget d'erreurs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la conception d'états d'entrée avec un contrôle en position et vitesse des nuages d'atomes, ainsi que leurs évolutions en taille.Les expériences étudiées ici sont conçues avec des montages avec puce atomique qui manipulent les atomes à l'aide de pièges magnétiques. La plupart des applications présentées sont des expériences réalisées dans le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA à bord de la Station Spatiale Internationale dans le cadre du Consortium for Ultracold Atoms in Space. Cette machine à BEC multi-utilisateur permet la manipulation de BEC simple-espèce à son installation ainsi que celle de mélanges de BEC double-espèces après des améliorations. En suivant cette chronologie, nous étudions d'abord la dynamique de BEC simple-espèce puis étendons ce travail à la manipulation d'un mélange de deux BECs en interaction. La première étape après la calibration du modèle à puce est de concevoir un transport rapide et robuste pour éloigner les atomes de la puce. Nous présentons et utilisons un protocole de raccourci à l'adiabaticité sur la base de rétro-ingénierie, pour transporter le BEC et atteindre les exigences sur le contrôle de la position et vitesse finale. L'expansion libre du nuage atomique avec la chute inhérente de densité rend la détection du signal difficile. Par analogie avec la lumière, il est possible de collimater le nuage atomique avec une lentille atomique à l'aide de la technique de Delta-Kick Collimation. Les applications à CAL ont abouti à des énergies d'expansion de l'ordre de la dizaine de pK. Pour simuler le processus d'imagerie et soutenir l'analyse de données, des modèles théoriques qui prennent en compte les effets de résolution de la caméra et les changements de repères associés à l'orientation de la caméra ou l'orientation du potentiel de piégeage par rapport à la puce atomique sont présentés.L'espace permet la manipulation de mélanges de condensats de Bose-Einstein sous des conditions de miscibilité impossibles à obtenir au sol. La colocation des centres des pièges pour les différentes espèces en microgravité peut mener à des topologies différentes de l'état fondamental du piège. De plus, l'énergie d'interaction entre les espèces peut jouer un rôle significatif dans la dynamique du mélange lors de son transport. Cependant, la simulation de la dynamique de mélanges de BEC double-espèces en interaction est un défi sur le plan des ressources informatiques, surtout à cause des longues durées d'expansion. Dans ce travail, des méthodes de mise à l'échelle pour dépasser ces limitations sont présentées et illustrées dans des cas d'expériences dans l'espace dans CAL et à bord de fusées-sondes.
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.
Ingénierie d’états atomiques pour l’interférométrie de précision La physique moderne repose sur deux théories fondamentales distinctes, la relativité générale et la mécanique quantique. Toutes les deux décrivent d’une part les phénomènes macroscopiques et cosmologiques tels que les ondes gravitationnelles et les trous noirs et d’autre part les phénomènes microscopiques comme la superfluidité ou le spin des particules. L’unification de ces deux théories reste, jusqu’à présent, un problème non résolu. Il est intéressant de noter que les différentes théories de gravité quantique prédisent une violation des principes de la relativité générale à différents niveaux.Il est donc hautement intéressant de détecter les violations de ces principes et de déterminer à quel niveau elles se produisent.De récentes propositions pour effectuer des tests du principe d’ équivalence d’Einstein suggèrent une amélioration spectaculaire des performances en utilisant des capteurs atomiques `a ondes de matière.Dans ce contexte, il est nécessaire de concevoir des états d’entrée de l’interferomètre avec des conditions initiales bien définies. Un test de pointe de l’universalité de la chute libre (Universality of FreeFall en anglais (UFF) ) nécessiterait, par exemple,un contrôle des positions et des vitesses avec une précision de l’ordre de 1 μm et 1 μm.s⁻¹ , respectivement.De plus, les systématiques liées à la taille du paquet d’ondes limitent le taux d’expansion maximum possible à 100 μm.s⁻¹. La création initiale des états d’entrée de l’interféromètre doit être assez rapide,de l’ordre de quelques centaines de ms au maximum,pour que le temps de cycle de l’expérience soit pertinent d’un point de vue métrologique. Dans cette thèse j’ai développé des séquences optimisées s’appuyant sur l’excitation du centre de masse et de la taille d’un ou plusieurs ensembles d’atomes refroidis ainsi que dégénérés. Certaines séquences proposé dans cette thèse ont déjà été implémenté dans des expériences augmentant de manière significative le contrôle des ensembles atomiques.
L’étude des gaz quantiques en microgravité ouvre la voie à de nouveaux tests de la physique fondamentale et à la mise au point de capteurs inertiels de haute précision. Le projet ICE (Interférométrie à sources Cohérentes pour l’Espace), soutenu par le CNES, vise à réaliser un test du principe d’équivalence faible en microgravité grâce à un interféromètre atomique bi-espèce basé sur les isotopes 87Rb et 39K. Ces isotopes présentent des avantages complémentaires : un fort rapport de masse, une compatibilité optique et des architectures laser fibrées, adaptées aux environnements embarqués. Cette thèse s’inscrit dans le développement de ce démonstrateur technologique, destiné à valider les méthodes expérimentales en vue de futures missions spatiales. Le dispositif expérimental, compact et transportable, est conçu pour fonctionner à la fois sur un simulateur de microgravité au sol et à bord de l’avion zéro-G. Une attention particulière a été portée à la robustesse de l’architecture optique intégralement fibrée, élément clé pour une application spatiale. Un premier axe a concerné la production de sources atomiques ultra-froides. Des condensats de Bose-Einstein de rubidium ont été obtenus dans des conditions expérimentales contraignantes, notamment en vol parabolique, démontrant la faisabilité de telles manipulations en microgravité. Sur le simulateur, des condensats à des températures de quelques nanokelvins ont également été produits, validant les techniques de refroidissement évaporatif optique. Un second axe a porté sur l’interférométrie atomique en microgravité. L’étude théorique et expérimentale des transitions Raman a permis d’explorer différents régimes de diffraction, en particulier la double diffraction, prometteuse pour augmenter la sensibilité. Les premiers résultats ont montré la possibilité de mesurer des accélérations avec des temps d’interrogation prolongés et de reconstruire des franges d’interférence avec des nuages ultra-froids. Ces avancées ouvrent la voie à des mesures inertiels de haute précision dans l’espace. La thèse a également exploré des méthodes de détection adaptées aux gaz dilués en expansion libre. L’imagerie par absorption et par fluorescence, ainsi que la détection temporelle, se sont révélées complémentaires pour caractériser les sources atomiques et extraire les signaux interférométriques, chacune présentant des avantages selon le régime expérimental. Enfin, une étude théorique originale a été consacrée à la création de pièges tout optiques en forme de bulle pour des condensats en microgravité. Ces géométries sphériques ouvrent de nouvelles perspectives pour l’exploration de phases quantiques inédites et constituent un pas vers l’ingénierie de systèmes quantiques dans des environnements spatiaux. En conclusion, ce travail a démontré la faisabilité de produire et manipuler des gaz quantiques en microgravité, ainsi que d’exploiter leur cohérence pour des applications métrologiques. Ces résultats marquent une étape importante vers la réalisation de tests sensibles du principe d’équivalence faible depuis l’espace, et plus largement vers l’utilisation de capteurs quantiques embarqués pour sonder la gravité et explorer de nouvelles physiques.
Interféromètre atomique à sources ultra-froides pour le test du principe d’équivalence faible depuis l’espace 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.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.