Gradiométrie atomique pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles

Atom gradiometry for future Gravitational Wave Detectors

• Auteur / Autrice : Xinhao Zou
• Direction : Philippe Bouyer, Benjamin Canuel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 20/05/2022
• 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 : Éric Cormier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bouyer, Benjamin Canuel, Éric Cormier, Mingsheng Zhan, Patrick Cheinet, Yiyuan Bess Fang, Alexandre Gauguet, Stéphane Gaffet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mingsheng Zhan, Patrick Cheinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes gravitationnelles

Résonateurs optiques

Mots clés libres

Vague gravitationnelle

Gradiométrie atomique

Cavité optique

Gravitational wave

Atom gradiometry

Optical cavity

Résumé

Les ondes gravitationnelles nous permettent d’élargir notre connaissance de l’univers en transportant sur de très grandes distances les informations reliées aux variations de masses. La détection de ces ondes est de première importante non seulement pour la physique fondamentale mais également pour les aspects technologiques des mesures de haute précision. Différents observatoires d’ondes gravitationnelles sont en opération ou en construction à travers le monde, avec des bandes de détection allant de 10^-9 Hz to 10^4 Hz.L’expérience MIGA (Matter Wave Interferometer Gravitational Antenna) a pour but de construire un réseau de gradiomètres atomiques en cavité sur une longueur de base de 150 m au laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB). En comparaison avec les détecteurs optiques de type Michelson en cavité, les gradiomètre atomiques ouvrent la voie vers une détection en dessous du Hz, et peuvent permettre une détection dans une gamme de fréquence 0.1 Hz - 10 Hz complémentaire par rapport aux instruments existants ou en construction.Dans ce cadre, le LP2N réalise une expérience de démonstration consistant en un gradiomètre atomique en cavité basé sur deux sources d’atomes froids de Rb. Nous discutons dans cette thèse les progrès réalisés sur cette expérience. En particulier, la réalisation et le commissioning du système à vide ainsi que la caractérisation complète d’une des sources atomiques.Dans ce manuscrit, nous rapportons également les travaux théoriques réalisés dans un second volet de cette thèse et consistant à l’étude du couplage optimal entre un interféromètre atomique et une cavité optique pour la détection des ondes gravitationnelles. Nous présentons ainsi une géométrie originale de détection permettant d’obtenir une amplification du signal d’onde gravitationnel détecté par un interféromètre atomique.

Gravitational waves expand our observation scope of the universe, carrying information through time and space undisturbed due to their inability to be scattered or absorbed. The detection of gravitational waves is of great significance to the progress of fundamental physics research and associated experimental technology. Gravitational-wave observatories are in operation or under construction worldwide, with detection frequencies ranging from 10^-9 Hz to 10^4 Hz.The Matter Wave Interferometer Gravitational Antenna (MIGA) experiment aims to build an atomic gradiometer consisting of one 150 m long optical cavities on the LSBB platform based on the increasingly mature atomic interference technology. Compared with optical interferometers, atom gradiometers can reduce noise in the low-frequency range, filling a gap in gravitational wave detection in the band 0.1 Hz - 10 Hz.At LP2N, as a demonstration experiment for gravitational wave antennas, an atom interferometer based on quasi-Bragg scattering and marginally-stable cavity has been built. We are currently building a 6.35 m atom gradiometer composed of two atom sources and made the first attempt to observe an interference signal. We discuss the implementation of this atom gradiometer, focusing on our achieved vacuum of 1.4x10^-9 mbar in an enormous vacuum chamber as well as the completed tuning of the first atomic source.This thesis elucidates the difference between an atom gradiometer and an optical interferometer for gravitational wave detection. We propose a nested three-cavity system through two orthogonal optical cavities - a structure that can improve the strain sensitivity of atom interferometry, allowing it to exceed the standard quantum limit.