Métrologie avec des atomes piégés sur puce dans le régime non-dégénéré et dégénéré

Metrology with trapped atoms on a chip using non-degenerate and degenerate quantum gases

• Auteur / Autrice : Vincent Dugrain
• Direction : Jakob Reichel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Quantique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie atomique

Condensation de Bose-Einstein

Horloges atomiques

Résumé

Le piégeage d’atomes sur puce ouvre de nouvelles possibilités pour la métrologie temps-fréquence et l’interférométrie atomique intégrée. L’expérience TACC (Trapped Atomic Clock on a Chip) a pour but d’étudier le potentiel des gaz quantiques, dégénérés ou non, pour la métrologie, et d’élaborer de nouveaux outils pour la manipulation des atomes. Elle vise notamment la réalisation d’un étalon secondaire de fréquence avec une stabilité de quelques 10-13 à une seconde. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte. Nous y présentons les résultats de quelques expériences de métrologie réalisées avec des nuages thermiques ou des condensats de Bose-Einstein. Dans un premier temps nous démontrons une stabilité de 5. 8 x 10-13 à une seconde et caractérisons les bruits techniques limitant cette stabilité. Nous présentons ensuite une étude de la cohérence des condensats et en particulier l’effet des interactions. Les données sont comparées à un modèle numérique. Dans un deuxième temps nous présentons quelques outils développés pour la production et la manipulation d’atomes sur puce. Nous démontrons d’abord la réalisation d’un puissancemètre atomique pour la micro-onde et estimons les limites actuelles de ses performances. Nous démontrons ensuite que des champs micro-onde ayant des gradients élevés permettent la manipulation cohérente de l’état externe des atomes. Enfin nous présentons et caractérisons un nouveau dispositif pour la production de nuages d’atomes froids à haute cadence consistant en la modulation rapide de la pression de rubidium dans une cellule

Atom trapping on chip opens new perspectives for time and frequency metrology and integrated atom interferometry. The TACC experiment (Trapped Atomic Clock on a Chip) was built to study the potential of degenerate and non-degenerate quantum gases for metrology and to develop new tools for atom manipulation. One of the aims is the demonstration of a secondary frequency standard with a stability of a few 10-13 at one second. This is the context of this thesis. We report on several metrology experiments carried out with thermal clouds or Bose-Einstein condensates. Firstly, we demonstrate a stability of 5. 8 x 10-13 at one second and characterize the limiting technical noise. We then present a study of the coherence of Bose-Einstein condensates and, in particular, the effect of interactions. The data is compared with a numerical model. Secondly, we introduce several tools for producing and manipulating atoms on a chip. We show the realization of an atomic microwave powermeter and assess the current limits of its performance. We then demonstrate that high-gradient microwave fields allow one to coherently manipulate the atoms’ external motion. Finally, we present and characterize a new device for high-repetition rate atom loading involving fast modulation of the rubidium pressure