La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.
La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.
La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.
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 sur onde de matière à haute sensibilité : vers une détermination de la constante de structure fine au niveau de 10-10 La constante de structure fine α peut être déterminée à partir de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome m. La comparaison de la valeur expérimentale de l’anomalie du moment magnétique de l’électron ou du muon à leurs valeurs théoriques prédites par le Modèle Standard et utilisant cette valeur de α permet d’accomplir un test très précis de ce modèle. Mon travail de thèse a porté principalement sur la mesure du rapport h/m de l’isotope 87 du rubidium en utilisant un nouveau dispositif expérimental conçu pour produire une source ultra-froide par évaporation dans un piège dipolaire tout-optique chargé par une mélasse optique. Nous avons optimisé les paramètres du dispositif à l’aide d’un algorithme génétique, ce qui nous a permis de produire un condensat de Bose Einstein, contenant 120.000 atomes, polarisé dans l’état F=1, mF=0, avec un temps de cycle de 3,5 secondes. Nous avons ensuite installé le dispositif laser d’interférométrie atomique, pour interroger un nuage d’atomes froids produit dans une mélasse optique. En combinant un interféromètre utilisant des transitions Raman et la technique des oscillations de Bloch, nous avons démontré une sensibilité sans précédent sur la mesure de h/m correspondant à une incertitude statistique relative de 8,5 10-11 en 48h de temps d’intégration, soit 4,3 10-11 sur α. Cette sensibilité nous a permis d’étudier expérimentalement de nombreux effets systématiques. Nous avons de plus mené un travail de modélisation qui a contribué à la mise en place de protocoles visant à compenser les biais induits par les effets systématiques. Nous présentons un bilan provisoire du budget d’erreurs associé à ces effets.
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.
Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.