Développement d’un interféromètre atomique avec atomes de 88Sr

Development of a 88Sr atom interferometer

• Auteur / Autrice : Chen-Hao Feng
• Direction : Andréa Bertoldi, Philippe Bouyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Tamarat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andréa Bertoldi, Philippe Bouyer, Philippe Tamarat, Florian Schreck, Kai Bongs, Timothy Kovachy, Sebastian Blatt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florian Schreck, Kai Bongs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux alcalinoterreux

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Métaux alcalino-Terreux

Interactions atome-Cavité

Atom interferometry

Alkaline-Earth metals

Atom-Cavity interactions

Résumé

L'interférométrie atomique est une technologie quantique en pleine maturité qui fournit l'une des approches les plus précises pour explorer la physique fondamentale, par exemple pour rechercher la matière noire, et un jour pour observer les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences de 10 mHz à 10 Hz. Les interféromètres atomiques standard utilisent des transitions à deux photons de Bragg ou de Raman pour la manipulation cohérente des ondes de matière. Dans une configuration de Michelson pour la détection des ondes gravitationnelles à l'aide d'atomes, deux bras orthogonaux sont utilisés. Deux bras orthogonaux sont construits pour rejeter le bruit du laser, de la même manière que les interféromètres optiques. Les interféromètres atomiques qui utilisent une transition d'horloge optique pour la manipulation cohérente sont moins affectés par le bruit technique du laser et, par conséquent, les détecteurs à ligne de base unique deviennent plus efficaces. Les détecteurs à ligne de base unique deviennent réalisables.Au LP2N, nous construisons un gradiomètre verticale du champ de gravité sur l'interférométrie atomique en utilisant des atomes de strontium sondés sur une transition d'horloge. Le dispositif expérimental final mettra en œuvre une fontaine atomique de 6 mètres de haut pour réaliser la gradiométrie avec deux ou plusieurs nuages atomiques séparés.Dans ma thèse, je présente la réalisation du dispositif expérimental dans tous ses sous-systèmes, et les premières expériences avec des atomes à une temperature autour du millikelvin, obtenues avec le premier étage de refroidissement qui utilise de la lumière bleue. Le système laser pour la deuxième phase de refroidissement rouge et pour la manipulation cohérente est prêt ; entre-temps, nous avons réalisé un ralentisseur Zeeman à double fréquence qui améliore le flux atomique d'un facteur six. Nous présentons également l'étude d'un schéma original permettant d'obtenir une interaction lumière-atome pulsée et rapide dans une cavité à largeur de raie étroite en exploitant le décalage de Stark comme un commutateur à large bande passante ; cette technique pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de cavités à largeur de raie étroite - et notamment à leur montée en puissance élevée - dans plusieurs contextes, comme l'interférométrie atomique et l'information quantique.

Atom interferometry is a maturing quantum technology which provides one of the most precise approaches to explore fundamental physics, e.g. to search for dark matter, and one day to observe gravitational waves in the frequency range from 10 mHz - 10 Hz. Standard atom interferometers use Bragg or Raman two-photon transitions for the coherent manipulation of matter waves. In a Michelson configuration for atom-aided gravitational waves detection, two orthogonal arms are built to reject laser noise, in the same way as optical interferometers. Atom interferometers utilizing an optical clock transition for coherent manipulation are less affected by the technical noise of the laser, and as a result that single baseline detectors become feasible.At LP2N, we are building a vertical gravity-gradiometer based on atom interferometry using strontium atoms probed on such a clock transition. The final experimental setup will implement a 6-meter tall atomic fountain to realize gradiometry with two or more separated atomic clouds.In my dissertation, I present the realization of the experimental setup in all its sub-systems, and the first experiments with atoms at millikelvin temperature obtained with the first cooling stage with blue light. The laser system for the second red cooling phase and for the coherent manipulation is ready; meanwhile, we realized a dual-frequency Zeeman slower that improves the atomic flux by a factor of six. We also present a study of an original scheme to achieve pulsed and fast light-atom interaction in a narrow-linewidth cavity by exploiting the Stark shift as a high bandwidth switch; this technique could open to the use of narrow-linewidth cavities – and notably their high power buildup - in several contexts, like atom interferometry and quantum information.