Interférométrie atomique avec le condensat de Bose-Einstein : vers une détermination de la constante de structure fine α

Atom interferometer with Bose-Einstein Condensate : toward a determination of fine-structure constant α

• Auteur / Autrice : Zhibin Yao
• Direction : Saïda Guellati-Khelifa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Emily Lamour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Hugbart
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carsten Klempt, Yannick Bidel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie atomique

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Atomique

Interféromètre

Constante de structure fine

Atomic

Interferometer

Fine structure constant

Résumé

Mes travaux de thèse ont porté sur la détermination de la constante de structure fine à partir de la mesure du rapport 'h/m' entre la constante de Planck et la masse atomique qui limite actuellement l'exactitude de la constante de structure fine. Notre approche pour obtenir une valeur du 'h/m' est basée sur la mesure combinée de la vitesse de recul induite par l'absorption des photons et de la fréquence des lasers utilisés pour manipuler les ondes atomiques. Durant mes deux premières années, j'ai été particulièrement impliqué dans l'étude et l'évaluation de trois effets systématiques : 1) L'effet systématique dû à la distorsion du front d'onde et du profil d'intensité, 2) Le décalage lumineux résiduel dû à l'expansion du nuage atomique, 3) Un déphasage électronique dans la boucle à verrouillage de phase des lasers Raman. Comme les deux effets systématiques les plus importants sont étroitement liés à la température transverse du nuage atomique, l'atténuation de ces effets nécessite une source atomique plus petite et plus froide, un condensat de Bose-Einstein (BEC) serait une bonne option pour nous. J'ai ensuite travaillé sur la production d'un BEC de 200 000 atomes avec une séquence d'évaporation de 1,7 s dans un piège tout optique. J'ai observé un gradient de phase intéressant à la fin de la séquence de l'interféromètre atomique qui est dû aux interactions atomiques mutuelles. Ainsi, la deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de l'effet d'interaction atomique dans le BEC en utilisant l'interféromètre à atomes de Mach-Zehnder. J'ai développé deux modèles théoriques différents pour comprendre et évaluer le déphasage dû aux interactions atomiques en fonction de paramètres expérimentaux tels que le déséquilibre de populations entre les deux bras de l'interféromètre, le temps de relâchement du BEC et les fréquences de piège. Ces modèles reproduisent les mesures expérimentales sans aucun ajustement. A la fin de ma thèse, j'ai réalisé une évaluation préliminaire de l'incertitude statistiques sur la mesure du rapport h/m en utilisant un BEC.

My thesis work focused on the determination of the fine structure constant from the measurement of the ratio 'h/m' between the Planck constant and the atomic mass which is currently the limiting factor for the accuracy of the fine structure constant. Our approach to obtain a value of 'h/m' is based on the combined measurement of the recoil velocity induced by the absorption of photon momenta and the frequency of the lasers used to manipulate the atomic waves. During my first two years, I learned how to operate a complex experiment and I was particularly involved in the study and evaluation of three systematic effects: 1) The systematic effect due to the distortion of the wavefront and intensity profile, 2) The residual light shift due to the expansion of the atomic cloud, 3) Raman phase shift in the phase-locked loop of Raman lasers. Since the two most important systematic effects are closely related to the temperature of the atomic cloud, mitigation of these effects requires a smaller and cooler atomic source, a Bose-Einstein condensate would be a good option for us. I then worked on producing a BEC of 200,000 atoms with a 1.7 s evaporation sequence in an all-optical trap. I observed an interesting phase gradient at the end of the atomic interferometer sequence due to mutual atomic interactions. Thus, the second part of my thesis was devoted to the study of the atomic interaction effect in the BEC using the Mach-Zehnder atom interferometer. I developed two different theoretical models to understand and evaluate the phase shift due to the interaction as a function of experimental parameters such as the population imbalance between the two arms of the interferometer, the condensate release time and the trap frequencies. These models reproduce the experimental measurements without any adjustment. At the end of my thesis, I performed a preliminary evaluation of the statistical uncertainty on the h/m ratio measurement using a BEC.