Interférométrie atomique à grands transferts d'impulsion dans le régime de quasi-Bragg

Atom interferometry with large momentum transfer in quasi-Bragg regime

• Auteur / Autrice : Ashley Beguin
• Direction : David Guéry-Odelin, Alexandre Gauguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Battesti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Guéry-Odelin, Alexandre Gauguet, Naceur Gaaloul, Laurence Pruvost
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Pereira Dos Santos, Andréa Bertoldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aharonov-Bohm, Effet

Réseau de Bragg

Interférométrie atomique

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Mécanique quantique

Interférométrie atomique

Cold atoms

Quantum mechanics

Atom interferometry

Résumé

Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.

This work contributes to the development of new atom interferometers based on the use of Bose-Einstein condensates and optical lattices. These new interferometers aim to improve the inertial sensor sensitivity, to test gravitation or new models in particle physics. The specificity of the LCAR interferometer is its large spatial separation allowing to shape electromagnetic or gravitational potentials near interferometer arms. This approach opens the way to new measurements in fundamental physics and metrology. Our experiment is set up to perform matter neutrality tests with a new method based on scalar Aharonov-Bohm phase. An improvement of several orders of magnitude over current limits is expected. In my thesis, I begin to present interferometry principles which guided the design of our interferometer. I describe the ultra-cold atom source and the first results of atomic fountain achieve with our Bose-Einstein condensates. To realize our atom interferometers, condensates are manipulated by optical lattices in the quasi-Bragg regime. In order to have a better understanding of the limits of these interferometers, I made both numerical and experimental studies that I present in the third chapter. Especially I discuss the impact of multi-port atom interferometers based on this regime and lead to spurious interferometers that limit phase estimation. Finally I demonstrate interferometers phase shift with a separation corresponding to the momentum of 170 photons. This momentum transfer is state-of-the-art for this setup and paves the way for the expected spatial separation.