Implémentation d'une source d'atomes ultra-froids pour l'amélioration de l'exactitude d'un gravimètre atomique

Implementation of an ultra-cold atom source to improve the accuracy of an atomic gravimeter

• Auteur / Autrice : Romain Karcher
• Direction : Franck Pereira Dos Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique atomique
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : François Nez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Perrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Louchet-Chauvet, Thomas Bourdel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie atomique

Atomes froids

Gravimètres

Mots clés libres

Gravimétrie

Métrologie fondamentale

Interférométrie atomique

Atomes ultra-froids

Piège dipolaire

Redéfinition du kg

Gravimetry

Fundamental metrology

Atom interferometry

Ultra-cold atoms

Dipole trap

Kg redefinition

Résumé

Cette thèse a pour objectif l’amélioration de l’exactitude du gravimètre atomique du LNE-SYRTE. Ce gravimètre utilise des techniques d’interférométrie atomique pour déterminer l’accélération de la pesanteur g subie par des atomes de Rubidium 87 en chute libre. Il constitue la référence métrologique nationale pour la mesure de g et ses biais doivent donc être évalués avec la meilleure incertitude.Au début de cette thèse, le budget d’incertitude total était de 4.3µGal,dominé par l’incertitude de 4.0µGal associée au biais lié aux aberrations du front d’onde des lasers Raman utilisés pour réaliser les séparatrices lumineuses de l’interféromètre. Pour améliorer l’évaluation de cet effet, nous avons implémenté une source d’atomes ultra froids et mesuré g dans une large gamme de températures. Le développement d’un modèle de l’expérience accompagné par une simulation de l’impact des fronts d’ondes sur la mesure nous a permis d’évaluer pour la première fois ce biais, avec une incertitude record de 1.3µGal, soit trois fois meilleure que précédemment.Le gravimètre participe au projet de balance de Kibble du LNE qui visait à mesurer la constante de Planck par la pesée du kg et dans lequel une mesure exacte de g est nécessaire.Nous avons ainsi contribué à la révolution qu’a connue le système international d’unités, avec la décision de réviser le SI en fixant la valeur numérique de la constante de Planck et en modifiant la définition du kg, entrée en vigueur le 20 Mai 2019.

This thesis aims to improve the accuracy of the Cold Atom Gravimeter from LNESYRTE.This gravimeter employs atom interferometry techniques to measure the local gravityacceleration g of free falling Rubidium 87 cold atoms. This gravimeter is the national metrologicalreference meaning that all its biases must be evaluated with the lowest uncertainties. At the beginningof this thesis, the total accuracy budget of 4.3μGal was dominated by the uncertainty onthe wavefront aberration bias which accounted for 4.0μGal. In order to improve the evaluation ofthis effect, we implemented an ultra-cold atom source, with which we performed g measurementsover a wide range of temperatures. The developpment of a complete model of the experiment anda simulation of the impact of the wavefronts on the g measurements allowed us to gain insightson the evaluation of this bias which uncertainty was thus improved by a factor three and is now1.3μGal. Finally the gravimeter participated in the Kibble balance project which goal was tolink the Planck constant to the kg unit. This project needed the determination and transfer ofthe absolute g value. We contributed to the revolution of the International System of Units : thePlanck constant is now fixed and the definition of the kg is modified. This new definition is noweffective since 20 May 2019.