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Enhancement of momentum separation in atom interferometers : coherent sequences of Bragg diffraction and Floquet acceleration

Tangui Rodzinka

Published May 28, 2024• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.

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•May 28, 2024•0 citations

Interférométrie atomique à très grand transfert d'impulsion fondée sur l'approche de Floquet

Léo Calmels

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.

•Apr 20, 2026•0 citations

Interférométrie atomique à grands transferts d'impulsion dans le régime de quasi-Bragg

Ashley Beguin

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.

•Apr 11, 2023•0 citations

Atom interferometry with large momentum transfer in quasi-Bragg regime

Ashley Beguin

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.

•Apr 11, 2023•0 citations

Large momentum transfer atom interferometry based on the Floquet approach

Léo Calmels

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.

•Apr 20, 2026•0 citations

Réalisation d’un gradiomètre atomique basé sur des séparatrices de Bragg

Raphaël Piccon

Ce manuscrit détaille des travaux de thèse effectués au SYRTE sur l’expérience de gradiomètre à atomes froids. Le gradiomètre est un capteur quantique utilisant deux interféromètres à atomes froids afin de mesurer l’accélération de pesanteur en deux endroits distincts de l’espace et ainsi mesurer localement le gradient de gravité. Le capteur était fonctionnel à mon arrivée avec deux sources d’atomes froids et un interféromètre utilisant des impulsions Raman. Dans le but d’améliorer la sensibilité de l’instrument, nous avons implémenté et caractérisé la diffraction des atomes dans le régime quasi-Bragg et nous avons réalisé un interféromètre avec ces impulsions pour différents ordres de diffraction. Les ports de sortie étant dans le même état interne mais sur deux états d’impulsion différents, il est difficile de les mesurer indépendamment avec une méthode classique de détection par temps de vol. Nous avons donc développé puis caractérisé une nouvelle méthode permettant d’augmenter leur séparation spatiale avant leur détection à l’aide d’un ascenseur de Bloch. Nous avons également implémenté un ascenseur de Bloch en début de séquence afin d’opérer l’interféromètre en configuration fontaine et profiter d’un temps de chute libre maximal. Un miroir monté sur un tip tilt a été caractérisé afin de compenser l’accélération de Coriolis subie par les atomes pendant leur chute et un collimateur à profil d’intensité plat (‘flat top’) a été implémenté sur l’expérience afin d’éclairer les atomes de manière uniforme. Une sensibilité au gradient de gravité de 255 E à une seconde a été démontrée.

•Dec 7, 2022•0 citations
Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.
Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.
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