Design and Study of Microwave Potentials for Interferometry with Thermal Atoms On a Chip

par Mahdi Ammar

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Jakob Reichel.

Soutenue le 17-06-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale la physique de la particule à la matière condensée (....-2013) , en partenariat avec Thales Research and Technology [Palaiseau] (laboratoire) .

Le jury était composé de Pascal Szriftgiser, Hélène Perrin, Naceur Gaaloul, Catherine Schwob, Philipp Treutlein.

  • Titre traduit

    Conception et étude des potentiels micro-ondes pour l'interférométrie avec des atomes thermiques sur puce


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous présentons l'étude théorique d'un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques (i.e. non condensés) piégés sur une puce, avec des effets de champ moyen réduits. Afin de maintenir un niveau adéquat de cohérence, un haut degré de symétrie entre les deux bras d'un tel interféromètre est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, nous décrivons un protocole expérimental basé sur l'utilisation des micro-ondes en champ proche générés par deux guides d'ondes coplanaires transportant des courants oscillants à des fréquences différentes. Nous étudions principalement deux configurations symétriques pour réaliser une séparatrice atomique, soit le long de l'axe longitudinal soit le long de l'axe transversal du piège magnétique statique.Dans le cas d'une séparation transversale des atomes, nous discutons la nécessité d'utiliser un micro-piège sur-mesure qui possède une structure de champ similaire à celle d'un Ioffe Prichard macroscopique et nous proposons une conception concrète d'un tel micro-piège. Dans le cas d'une séparation axiale des atomes, nous étudions certains facteurs physiques qui limitent les performances ultimes de cet interféromètre tels que : la dissymétrie des potentiels, l'effet des fluctuations des champs statiques et micro-ondes, et la stabilité du signal gravitationnel de l'interféromètre. Nous utilisons un modèle harmonique unidimensionnel simplifié pour décrire la chute du contraste de l'interféromètre. Enfin, nous envisageons la possibilité d'une séparation et d'une recombinaison atomique non-adiabatique sans chauffage vibrationnel en concevant des trajectoires appropriées des potentiels de piégeages.


  • Résumé

    In this thesis, we report the theoretical study of an atom interferometer using thermal (i.e. non condensed) atoms trapped on a chip, with reduced mean-field effects. To keep an adequate level of coherence, a high level of symmetry between the arms of such an interferometer is required. To achieve this goal, we describe an experimental protocol based on microwave near-fields created by two coplanar waveguides carrying currents oscillating at different frequencies. This method enables the creation of two symmetrical microwave potentials that depend on the atomic internal state, and allows a state-selective symmetrical splitting of the atoms. We mainly consider two symmetrical configurations to separate the atoms either along the longitudinal axis or along the transverse axis of the static magnetic trap. In the case of a transverse splitting of the atoms, we discuss the advantages of using a custom microtrap that has the same field structure as a standard macroscopic Ioffe Pritchard trap, and we propose a practical design for such a microtrap. In the case of an axial splitting of the atoms, we study some physical factors limiting the ultimate performances of this interferometer such as: the dissymmetry of the microwave potentials, the effect of the fluctuations of static and microwave fields and the stability of the interferometer gravitational signal. We derive a simplified one-dimensional harmonic model to describe the interferometer contrast decay. Finally, we consider the possibility of non-adiabatic atomic splitting and recombination without vibrational heating by designing appropriate trajectories of the trapping-potentials based on the theory of dynamical invariants.


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