Un nouveau type d'interféromètre pour l'étude de la gravité sur des atomes d'antihydrogène Dans cette thèse, nous présentons un concept innovant de gravimètre quantique, dans lequel des atomes préparés dans un état limité de Heisenberg effectuent un unique rebond sur un miroir plan, suivi d'une chute libre. Ce schéma produit un motif d'interférence simple et robuste, à partir duquel il devrait être possible de mesurer l'accélération de chute libre des atomes. Nous estimons la précision attendue de l'interféromètre à rebond unique en utilisant la méthode de l'estimateur du maximum de vraisemblance, pour l'expérience GBAR, qui vise à mesurer le principe d'équivalence faible sur de l'anti-matière. Nous montrons que cet interféromètre atteint la borne de Cramér-Rao à partir d'environ 100 atomes détectés, et qu'il permet d'envisager une précision relative de σg/g ≃ 1.1 x 10-6 pour 1000 atomes détectés. Grâce à une étude analytique approfondie, nous comprenons la forme des franges d'interférence, et donc la sensibilité de cet interféromètre. Ce schéma proposé ouvre la voie à des mesures de chute libre sur des espèces atomiques rares ou exotiques, en particulier dans des situations où le temps expérimental ou le nombre de détection sont limités par des contraintes physiques intrinsèques.
Un nouveau type d'interféromètre pour l'étude de la gravité sur des atomes d'antihydrogène Dans cette thèse, nous présentons un concept innovant de gravimètre quantique, dans lequel des atomes préparés dans un état limité de Heisenberg effectuent un unique rebond sur un miroir plan, suivi d'une chute libre. Ce schéma produit un motif d'interférence simple et robuste, à partir duquel il devrait être possible de mesurer l'accélération de chute libre des atomes. Nous estimons la précision attendue de l'interféromètre à rebond unique en utilisant la méthode de l'estimateur du maximum de vraisemblance, pour l'expérience GBAR, qui vise à mesurer le principe d'équivalence faible sur de l'anti-matière. Nous montrons que cet interféromètre atteint la borne de Cramér-Rao à partir d'environ 100 atomes détectés, et qu'il permet d'envisager une précision relative de σg/g ≃ 1.1 x 10-6 pour 1000 atomes détectés. Grâce à une étude analytique approfondie, nous comprenons la forme des franges d'interférence, et donc la sensibilité de cet interféromètre. Ce schéma proposé ouvre la voie à des mesures de chute libre sur des espèces atomiques rares ou exotiques, en particulier dans des situations où le temps expérimental ou le nombre de détection sont limités par des contraintes physiques intrinsèques.
Le contexte de cette thèse est la collaboration GBAR au CERN qui vise à mesurer l’accélération de chute libre g_bar des atomes d’antihydrogène ultrafroids dans le champ gravitationnel terrestre. Améliorer la précision de cette mesure est un objectif crucial pour les tests avancés du principe d’équivalence impliquant l’antimatière, qui pourrait améliorer notre compréhension de l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans notre univers. Dans cette thèse, nous modélisons l’évolution de ces atomes d’antihydrogène depuis le piège où ils sont produits jusqu’à leur détection, en prenant en compte leur comportement quantique. Nos simulations visent à trouver les paramètres optimaux pour la chambre de chute libre afin d’obtenir la meilleure précision possible. Le recul lors du photodétachement du positron en excès de l’ion antihydrogène est pris en compte dans l’évaluation de la distribution de vitesse des atomes d’antihydrogène, et le phénomène de réflexion quantique des antiatomes sur les surfaces matérielles est aussi étudié. Combinée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité peut piéger les particules dans des états quantiques gravitationnels qui produisent des figures d’interférence qui peuvent être utilisées pour une mesure quantique de la valeur de g_bar. Une analyse statistique des mesures classiques et quantiques est réalisée en utilisant des simulations numériques de Monte-Carlo comparées à des méthodes analytiques. La méthode classique conduit à une précision meilleure que 10^-2, alors que la méthode quantique avec les états gravitationnels quantiques conduit à une précision d’environ 10^-5. Ce travail propose des méthodes statistiques nouvelles qui peuvent être utilisées dans d’autres applications que l’expérience GBAR.
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.
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.
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.
Analyse statistique des mesures classiques et quantiques de l’accélération de chute libre de l’antihydrogène pour l’expérience GBAR Le contexte de cette thèse est la collaboration GBAR au CERN qui vise à mesurer l’accélération de chute libre g_bar des atomes d’antihydrogène ultrafroids dans le champ gravitationnel terrestre. Améliorer la précision de cette mesure est un objectif crucial pour les tests avancés du principe d’équivalence impliquant l’antimatière, qui pourrait améliorer notre compréhension de l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans notre univers. Dans cette thèse, nous modélisons l’évolution de ces atomes d’antihydrogène depuis le piège où ils sont produits jusqu’à leur détection, en prenant en compte leur comportement quantique. Nos simulations visent à trouver les paramètres optimaux pour la chambre de chute libre afin d’obtenir la meilleure précision possible. Le recul lors du photodétachement du positron en excès de l’ion antihydrogène est pris en compte dans l’évaluation de la distribution de vitesse des atomes d’antihydrogène, et le phénomène de réflexion quantique des antiatomes sur les surfaces matérielles est aussi étudié. Combinée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité peut piéger les particules dans des états quantiques gravitationnels qui produisent des figures d’interférence qui peuvent être utilisées pour une mesure quantique de la valeur de g_bar. Une analyse statistique des mesures classiques et quantiques est réalisée en utilisant des simulations numériques de Monte-Carlo comparées à des méthodes analytiques. La méthode classique conduit à une précision meilleure que 10^-2, alors que la méthode quantique avec les états gravitationnels quantiques conduit à une précision d’environ 10^-5. Ce travail propose des méthodes statistiques nouvelles qui peuvent être utilisées dans d’autres applications que l’expérience GBAR.
Rotating atom interferometer for onboard quantum accelerometry Les systèmes de navigation inertielle intègrent les mesures de triades d’accéléromètres et gyromètres afin de déterminer leur position, mais la trajectoire déterminée est typiquement limitée par le biais variable dans le temps de ces capteurs inertiels. D’autre part, l’exploitation de la physique quantique a permis le développement d’interféromètres à ondes de matière, sensibles aux effets inertiels grâce à la masse des atomes. Lorsqu’ils sont en chute libre, ces atomes constituent un référentiel Galiléen idéal et délivrent une mesure absolue avec une exactitude et une stabilité remarquables. De considérables développements techniques ont permis le transfert technologique de gravimètres quantiques vers l’industrie, réalisant des mesures de longue durée en statique. Cependant, l’utilisation de capteurs à atomes froids pour la navigation et le positionnement nécessite de répondre à certains enjeux scientifiques et technologiques afin d’être compatible avec les applications embarquées tels que la compacité, la continuité de mesure et le fonctionnement dans des environnements difficiles.Le laboratoire commun iXAtom unit l’expertise du Laboratoire de Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N) en interférométrie à ondes de matière et celle de l’entreprise française Exail dans les systèmes de navigation inertielle et capteurs quantiques industriels afin de construire une nouvelle génération de capteurs inertiels de haute performance grâce à l’hybridation d’accéléromètres et de gyromètres classiques avec des capteurs quantiques basés sur l’interférométrie à ondes de matière.Après avoir réussi à construire un interféromètre multiaxe à atomes froids mesurant les trois composantes du vecteur accélération en statique, ce capteur inertiel quantique a été hybridé avec une triade d’accéléromètres classiques, augmentant la bande passante et la dynamique de mesure sans souffrir de la contrainte liée à la dérive du biais des accéléromètres classiques. Par ailleurs, cette hybridation inclut une correction de la phase laser en temps réel, permettant d’extraire la mesure d’accélération à partir de franges atomiques brouillées par les vibrations parasites. En ce qui concerne les rotations de l’instrument au cours d’un interféromètre, leur compensation demeure l’enjeu principal restant à aborder pour réaliser un capteur solidaire d’un véhicule puisqu’elles entraînent une réduction de la visibilité des franges atomiques couplée à un brouillage du déphasage interférométrique.Le travail de cette thèse porte sur la résolution de la dégradation des performances de l’accéléromètre hybride induite par les rotations. Une étude théorique a permis d’établir un modèle théorique de la chute de contraste entraînée par des vitesses angulaires ainsi que des déphasages parasites résultant de la trajectoire complexe du nuage atomique dans le référentiel tournant du faisceau laser. Finalement, un système de compensation des rotations en temps réel utilise la mesure de vitesses angulaires par des gyroscopes à fibre optique afin de piloter une plateforme rotative piézo-électrique et ainsi stabiliser l’orientation du faisceau laser dans le référentiel externe dans le but de préserver le contraste des franges interférométriques et d’accroître la plage de mesure de l’interféromètre atomique tournant. Une rectification du modèle théorique prenant en compte la rotation du laser et l’hybridation avec les accéléromètres classiques permet de reconstruire les franges atomiques et de recouvrer la mesure inertielle, ouvrant la voie à l’accélérométrie hybride embarquée non stabilisée.