Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Nouvelles approches pour la métrologie quantique des champs électromagnétiques avec des atomes froids de Rydberg Les atomes de Rydberg, états de haut nombre quantique principal n, constituent une ressource essentielle pour les technologies quantiques de par leur grand moment dipolaire. Ils sont utilisés principalement dans deux domaines : la simulation et l'information quantique, pour générer de l'intrication entre atomes froids, et la détection de champs électromagnétiques, notamment en radiofréquences, micro-ondes et térahertz. Cette thèse a pour objet le développement d'une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques combinant la grande sensibilité des atomes de Rydberg au très bon degré de contrôle des atomes froids. Les applications potentielles de ce projet sont nombreuses : détection et analyse spectrale de champs électromagnétiques, imagerie THz, communications HF (la taille du capteur étant indépendante de la longueur d'onde du signal à mesurer). Pour toutes ces applications, le référencement des mesures sur les propriétés des atomes devrait permettre de limiter les dérives de biais et les besoins de calibration, comme pour les autres types de capteurs atomiques (horloges, gravimètres...). Ce travail s'inscrit dans de nombreux projets et partenariats issus d'un effort national dans le quantique comme le projet RYCARD (LAC, LTE) ou le projet CARAMELS du PEPR quantique (LAC, LUMIN, IEMN, Thales). L'objectif de ce travail consiste donc à expérimenter puis à caractériser un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques. Cela se décline par l'analyse des performances métrologiques du capteur (résolution, sensibilité, linéarité, exactitude, bande passante, dynamique de mesure), la description et l'optimisation des protocoles de mesures des valeurs de champs, leur(s) fréquence(s) ou leur polarisation. Nos premiers résultats sur la mesure de champ micro-onde ont fait l'objet d'une publication en 2024 sur la technique de spectroscopie « trap-loss ». J'ai travaillé par la suite à son optimisation : réduction du bruit spectral présent dans la lumière de refroidissement ce qui a engendré une réduction d'un facteur 50 du bruit sur la fluorescence ; stabilisation en puissance des faisceaux lasers de refroidissement : passage d'un étage de préparation des faisceaux en espace libre à un étage totalement fibré, conception de cartes électroniques PI pour contrôler les puissances des faisceaux. Nous avons pu ainsi caractériser finement les différentes sources de bruit impactant notre signal de fluorescence (influence du bruit de fréquence, du bruit de puissance ou du bruit électronique). Le système de détection a été réoptimisé ainsi que les paramètres expérimentaux du piège d'atomes de telle sorte à obtenir le plus grand rapport signal-à-bruit. Les mesures de stabilité long-terme nous ont permis d'obtenir un gain sur la sensibilité et la résolution grâce à différentes techniques : sauts en fréquence au niveau des flancs du pic afin d'en déterminer la position, mise en œuvre d'un protocole séquentiel où l'on vient faire des mesures dans les états de Rydberg lorsque la lumière de refroidissement est éteinte. Parallèlement, j'ai poursuivi mes travaux sur l'amélioration des performances de verrouillage en fréquence des lasers Rydberg, ainsi que sur la caractérisation de leurs largeurs spectrales (quelques dizaines de hertz) et accordabilité (plusieurs centaines de MHz). L'ensemble de ces performances établies nécessite une bonne reproductibilité et une moindre influence de l'environnement opto-mécanique. Notre collaboration avec le DEMR-ONERA a permis de mettre en évidence l'impact de ce dernier sur la mesure de champ pour des ondes MW dans la bande Ku (12-18 GHz). Nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à mesurer de multiples fréquences MW. Cette étude nous a permis également de mieux comprendre le rôle de la polarisation du champ MW sur la spectroscopie des états de Rydberg, d'en établir un modèle théorique en adéquation avec des premiers résultats expérimentaux.
Les atomes de Rydberg, états de haut nombre quantique principal n, constituent une ressource essentielle pour les technologies quantiques de par leur grand moment dipolaire. Ils sont utilisés principalement dans deux domaines : la simulation et l'information quantique, pour générer de l'intrication entre atomes froids, et la détection de champs électromagnétiques, notamment en radiofréquences, micro-ondes et térahertz. Cette thèse a pour objet le développement d'une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques combinant la grande sensibilité des atomes de Rydberg au très bon degré de contrôle des atomes froids. Les applications potentielles de ce projet sont nombreuses : détection et analyse spectrale de champs électromagnétiques, imagerie THz, communications HF (la taille du capteur étant indépendante de la longueur d'onde du signal à mesurer). Pour toutes ces applications, le référencement des mesures sur les propriétés des atomes devrait permettre de limiter les dérives de biais et les besoins de calibration, comme pour les autres types de capteurs atomiques (horloges, gravimètres...). Ce travail s'inscrit dans de nombreux projets et partenariats issus d'un effort national dans le quantique comme le projet RYCARD (LAC, LTE) ou le projet CARAMELS du PEPR quantique (LAC, LUMIN, IEMN, Thales). L'objectif de ce travail consiste donc à expérimenter puis à caractériser un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques. Cela se décline par l'analyse des performances métrologiques du capteur (résolution, sensibilité, linéarité, exactitude, bande passante, dynamique de mesure), la description et l'optimisation des protocoles de mesures des valeurs de champs, leur(s) fréquence(s) ou leur polarisation. Nos premiers résultats sur la mesure de champ micro-onde ont fait l'objet d'une publication en 2024 sur la technique de spectroscopie « trap-loss ». J'ai travaillé par la suite à son optimisation : réduction du bruit spectral présent dans la lumière de refroidissement ce qui a engendré une réduction d'un facteur 50 du bruit sur la fluorescence ; stabilisation en puissance des faisceaux lasers de refroidissement : passage d'un étage de préparation des faisceaux en espace libre à un étage totalement fibré, conception de cartes électroniques PI pour contrôler les puissances des faisceaux. Nous avons pu ainsi caractériser finement les différentes sources de bruit impactant notre signal de fluorescence (influence du bruit de fréquence, du bruit de puissance ou du bruit électronique). Le système de détection a été réoptimisé ainsi que les paramètres expérimentaux du piège d'atomes de telle sorte à obtenir le plus grand rapport signal-à-bruit. Les mesures de stabilité long-terme nous ont permis d'obtenir un gain sur la sensibilité et la résolution grâce à différentes techniques : sauts en fréquence au niveau des flancs du pic afin d'en déterminer la position, mise en œuvre d'un protocole séquentiel où l'on vient faire des mesures dans les états de Rydberg lorsque la lumière de refroidissement est éteinte. Parallèlement, j'ai poursuivi mes travaux sur l'amélioration des performances de verrouillage en fréquence des lasers Rydberg, ainsi que sur la caractérisation de leurs largeurs spectrales (quelques dizaines de hertz) et accordabilité (plusieurs centaines de MHz). L'ensemble de ces performances établies nécessite une bonne reproductibilité et une moindre influence de l'environnement opto-mécanique. Notre collaboration avec le DEMR-ONERA a permis de mettre en évidence l'impact de ce dernier sur la mesure de champ pour des ondes MW dans la bande Ku (12-18 GHz). Nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à mesurer de multiples fréquences MW. Cette étude nous a permis également de mieux comprendre le rôle de la polarisation du champ MW sur la spectroscopie des états de Rydberg, d'en établir un modèle théorique en adéquation avec des premiers résultats expérimentaux.
Détection de champ électrique par radiofréquence à l'aide d'atomes de Rydberg en cellule Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la caractérisation d'un capteur RF basé sur des atomes de Rydberg utilisant la transparence induite électromagnétiquement (EIT) dans un système en échelle. Parmi les avantages d'un tel système, on peut citer le fait que le capteur devrait être autocalibré, que sa taille ne dépend pas de la longueur d'onde à détecter et qu'il perturbe peu le champ RF, tout en conservant une sensibilité très compétitive. Cependant, les états atomiques sont discrets, ce qui pose des problèmes de bande passante de détection. Pour pallier cet inconvénient, je propose un protocole de transfert de modulation, qui augmente la sensibilité aux champs RF désaccordés par rapport à la résonance de la transition de Rydberg. Le capteur RF est mis en œuvre en utilisant des atomes de Rubidium 85 en cellule, un faisceau sonde faible à 780 nm et un faisceau de couplage intense à 480 nm. Lorsque les deux faisceaux emplissent la condition de résonance à deux photons, le pic EIT apparaît dans le spectre de transmission de la sonde. Les champs RF en résonance avec une transition de Rydberg créent une paire d'états habillés de sorte que le pic EIT se divise en un doublet Autler-Townes (AT). L'amplitude du champ RF peut donc être déduite du dédoublement AT et des constantes fondamentales. Pour les champs RF désaccordés par rapport à la fréquence atomique, le doublet devient asymétrique et la sensibilité diminue très rapidement avec le protocole habituel. Je démontre dans cette thèse qu'une modulation de phase du faisceau de couplage induit une modulation d'amplitude de la sonde, ce qui permet d'améliorer la largeur de bande de détection autour de la fréquence atomique. Les résultats expérimentaux sont comparés aux simulations obtenues à partir d'un modèle semi-classique d'interaction atome-lumière et d'un développement de Floquet.
Les atomes de Rydberg sont des états très excités, dans lesquels un électron est placé sur une orbite éloignée du noyau. Leur grand dipôle électrique les rend très sensibles à leur environnement électromagnétique. En utilisant des champs microondes et radiofréquences, nous préparons des états quantiques non-classiques spécialement conçus pour exploiter au mieux cette sensibilité et mesurer des champs électriques et magnétiques avec une grande précision. Dans la première partie, nous préparons des états chats de Schrödinger, superpositions d'orbitales de polarisabilités très différentes, qui nous permettent de mesurer de petites variations du champ électrique statique avec une sensibilité bien supérieure à la limite quantique standard et proche de la limite Heisenberg fondamentale. Nous atteignons une sensibilité par atome de 30mV/m pour un temps d'interrogation de 200ns, faisant de notre système l'un des électromètres les plus sensibles à ce jour. Nous implémentons ensuite des manipulations plus complexes de l'atome. Grâce à une technique d'écho de spin qui exploite la richesse de la multiplicité Rydberg, nous mesurons les corrélations temporelles du champ électrique avec une bande passante de l'ordre du MHz. Dans la partie finale, nous préparons une superposition quantique de deux états circulaires de nombres quantiques magnétiques opposés. Cet état très non-classique correspond à un électron tournant à la fois dans des directions opposées sur la même orbite. La grande différence de moment magnétique entre les deux composantes de la superposition, de l'ordre de 100muB, ouvre la voie à la mesure de petites variations du champ magnétique avec une grande bande passante.
Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la caractérisation d'un capteur RF basé sur des atomes de Rydberg utilisant la transparence induite électromagnétiquement (EIT) dans un système en échelle. Parmi les avantages d'un tel système, on peut citer le fait que le capteur devrait être autocalibré, que sa taille ne dépend pas de la longueur d'onde à détecter et qu'il perturbe peu le champ RF, tout en conservant une sensibilité très compétitive. Cependant, les états atomiques sont discrets, ce qui pose des problèmes de bande passante de détection. Pour pallier cet inconvénient, je propose un protocole de transfert de modulation, qui augmente la sensibilité aux champs RF désaccordés par rapport à la résonance de la transition de Rydberg. Le capteur RF est mis en œuvre en utilisant des atomes de Rubidium 85 en cellule, un faisceau sonde faible à 780 nm et un faisceau de couplage intense à 480 nm. Lorsque les deux faisceaux emplissent la condition de résonance à deux photons, le pic EIT apparaît dans le spectre de transmission de la sonde. Les champs RF en résonance avec une transition de Rydberg créent une paire d'états habillés de sorte que le pic EIT se divise en un doublet Autler-Townes (AT). L'amplitude du champ RF peut donc être déduite du dédoublement AT et des constantes fondamentales. Pour les champs RF désaccordés par rapport à la fréquence atomique, le doublet devient asymétrique et la sensibilité diminue très rapidement avec le protocole habituel. Je démontre dans cette thèse qu'une modulation de phase du faisceau de couplage induit une modulation d'amplitude de la sonde, ce qui permet d'améliorer la largeur de bande de détection autour de la fréquence atomique. Les résultats expérimentaux sont comparés aux simulations obtenues à partir d'un modèle semi-classique d'interaction atome-lumière et d'un développement de Floquet.