Interféromètre à atomes froids piégés sur puce avec séparation spatiale

On-chip trapped cold atom interferometer with spatial splitting

• Auteur / Autrice : Benjamin Wirtschafter
• Direction : Chris Westbrook
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Thales Research and Technology [Palaiseau] - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Schwartz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chris Westbrook, Mathilde Hugbart, Carlos L. Garrido Alzar, Jakob Reichel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathilde Hugbart, Carlos L. Garrido Alzar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navigation par inertie

Accéléromètres

Atomes froids

Interférométrie

Mots clés libres

Interféromètre

Atomes froids

Puce atomique

Accéléromètre

Navigation inertielle

Capteur quantique

Interferometer

Cold atom

Atomic chip

Accelerometer

Inertial navigation

Quantum sensor

Résumé

Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.

For more than 30 years, many laboratories have developed atomic physics experiments to measure accelerations or rotations using atomic gases manipulated by magnetic fields and cooled by laser. However, most of these experiments are too cumbersome and fill entire rooms. Therefore, it is necessary to drastically reduce their size in order to be able to consider industrial applications to cold atom sensors outside the laboratory. Although many efforts have been made in recent years, particularly at Onera and Muquans, the size of the complete device is still too large for certain applications. In the late 1990s, it was demonstrated that atoms could be trapped and manipulated on a chip, thereby reducing both the size and power consumption of these sensors compared to laboratory experiments. It is within this framework that Thales has begun to take an interest in producing on-chip inertial sensors with cold atoms for autonomous navigation. The technique adopted by our group allows the realization of each of the functions necessary to obtain an inertial measurement unit on the same atomic chip. It is based on the selective spatial separation of atomic clouds in a magnetic trap via the dressing of internal states in the microwave domain. The objective of this thesis is to design and evaluate the feasibility of new types of inertial sensors based on interferometry, using cooled atoms trapped in the vicinity of a chip throughout the measurement sequence. In Chapter 1, we present the possible applications of atomic interferometers and the challenges to be met to miniaturize these sensors and make them embedded. We then compare the performances between competing technologies. Chapter 2 is devoted to the theoretical description of the different techniques used in the experiment. The cooling of atoms by Doppler effect and magnetic trapping are explained in particular, then we describe a sequence of Ramsey interferometry in the case of a clock, as well as in the case of an accelerometer, i.e. a sequence of Ramsey including a selective spatial separation of the two states of the interferometer using microwave dressing. In Chapter 3, we describe the entire experimental setup and all the preparation steps of the cloud of atoms from the sublimation of rubidium to the transfer into the interferometry trap. We describe there the way in which one controls the experiment as well as the various modes of detection of the atoms. In Chapter 4, we present the results obtained during the thesis. We begin by demonstrating individual selective displacements of polarized clouds in one of the two states of the interferometer, followed by simultaneous displacement of both states. We present an original method to calibrate the position of the magnetic trap, then we present the interference fringes obtained during Ramsey sequences with spatial separation of the two states. Finally, we present a study of fringe contrast as a function of cloud temperature, as well as Allan variance measures.