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Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.
The effective control of atomic coherence with cold atoms has made atom interferometry an essential tool for quantum sensors and precision measurements. The performance of these interferometers is closely related to the operation of large wave packet separations. We present here a novel approach for atomic beam splitters based on the stroboscopic stabilization of quantum states in an accelerated optical lattice. The corresponding Floquet state is generated by optimal control protocols. In this way, we demonstrate an unprecedented Large Momentum Transfer (LMT) interferometer, with a momentum separation of 600 photon recoils ($600\hbar k$) between its two arms. Each LMT beam splitter is realized in a remarkably short time (2 ms) and is highly robust against the initial velocity dispersion of the wave packet and lattice depth fluctuations. Our study shows that Floquet engineering is a promising tool for exploring new frontiers in quantum physics at large scales, with applications in quantum sensing and testing fundamental physics.
We propose in this White Paper a concept for a space experiment using cold atoms to search for ultra-light dark matter, and to detect gravitational waves in the frequency range between the most sensitive ranges of LISA and the terrestrial LIGO/Virgo/KAGRA/INDIGO experiments. This interdisciplinary experiment, called Atomic Experiment for Dark Matter and Gravity Exploration (AEDGE), will also complement other planned searches for dark matter, and exploit synergies with other gravitational wave detectors. We give examples of the extended range of sensitivity to ultra-light dark matter offered by AEDGE, and how its gravitational-wave measurements could explore the assembly of super-massive black holes, first-order phase transitions in the early universe and cosmic strings. AEDGE will be based upon technologies now being developed for terrestrial experiments using cold atoms, and will benefit from the space experience obtained with, e.g., LISA and cold atom experiments in microgravity. This paper is based on a submission (v1) in response to the Call for White Papers for the Voyage 2050 long-term plan in the ESA Science Programme. ESA limited the number of White Paper authors to 30. However, in this version (v2) we have welcomed as supporting authors participants in the Workshop on Atomic Experiments for Dark Matter and Gravity Exploration held at CERN: ({\tt https://indico.cern.ch/event/830432/}), as well as other interested scientists, and have incorporated additional material.
We report the preparation of Bose-Einstein condensates (BECs) by integrating laser cooling with a grating magneto-optical trap (GMOT) and forced evaporation in a magnetic trap on a single chip. This new approach allowed us to produce a $6 \times 10^4$ atom Bose-Einstein condensate of rubidium-87 atoms with a single laser cooling beam. Our results represent a significant advance in the robustness and reliability of cold atom-based inertial sensors, especially for applications in demanding field environments.
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.
Sujets
Zeeman effect
Laser cooling of atoms
Critical phenomena
Vibrations
Cooling effect
Non reciprocal effect
Diffraction de Bragg
Condensats de Bose-Einstein
Birefringences
Cold atoms
Parallel velocity
Experimental results
Decoherence
Atomic Bloch states
Diffraction atomique
Mesures de précision
Condensat de Bose-Einstein
ATOMS
Optical pumping
Axion
Electric polarizability
Laser diffraction
Aharonov-Bohm effect
Bragg diffraction
Adsorbats moléculaires
Anisotropy
Experiment
Lithium
Atomic Interferometry
Coherence
Atom Interferometry
Atom chip
Lithium atoms
Magneto-optics
Muonic hydrogen
Diffraction atomique par laser
Coupled oscillators
Atomes froids
Ring cavity
Optique atomique
Sagnac effect
Black hole
Diffraction
He-McKellar-Wilkens
Atomic interferometry
Atomic polarisability
CERN Lab
Amortissement
Capteur quantique embarqué
Effet Zeeman
Atomes sur puce
Détecteur à fil chaud
Interferometry
Detector sensitivity
Cosmic string
Polarisabilité
Cold Atoms
FIELD
Diffraction laser
Accurate measurement
Atoms on Chip
Diode-pumped solid state lasers
Atom Optics
Damping
Compensation
Aharononov-Bohm
Effet Stark
Atome de lithium
Atom
Close-coupling
Atom diffraction
Condensates
Condensats
Atom optics
Frequency doubling
Bose-Einstein condensate
Interférométrie atomique
CAVITY
Collisions atome-atome
Electro-optics
Bose-Einstein Condensate
Atom interferometry
Aharonov-Casher
Dark matter
Polarizability
Aharonov-Bohm
Atomes ultra-froids
Topological phase
Cohérence
Atom interferometer
Floquet formalism
Matter wave
Bose Einstein condensate
Atom interferometers
Diffraction d'une onde atomique
Effet Aharonov-Bohm
Atom inerteferometry
Phase géométrique
Stark effect
Birefringence