Vers une mesure de l'effet Casimir à l'aide d'un interféromètre à atomes ultra-froids piégés

Towards a measurement of the Casimir effect using a trapped ultra-cold atoms interferometer

• Auteur / Autrice : Luc Absil
• Direction : Franck Pereira Dos Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Saïda Guellati-Khelifa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Champenois, Gabriel Dutier, Christophe Salomon, Pierre Lemonde
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Champenois, Gabriel Dutier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Force de Casimir-Polder

Atomes froids

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Casimir-Polder

Atomes ultra-Froids

Atom interferometry

Casimir-Polder

Ultracold atoms

Résumé

À l’échelle du micromètre, les interactions atome-surface sont dominées par le potentiel de Casimir-Polder. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de l’expérience ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) où la mesure des forces à courte distance (de l’ordre du micromètre) est réalisée à l’aide d’atomes de 87Rb refroidis à des températures de l’ordre de quelques centaines de nano-kelvins et piégés dans un réseau optique vertical à proximité d’une surface diélectrique.Afin d’éviter la contamination de cette surface lors des étapes de refroidissement, les atomes sont préparés 30 cm plus bas. Nous prouvons l’efficacité de notre méthode de transport à l’aide d’oscillations de Bloch, permettant à la fois un contrôle satisfaisant de leur position finale sans échauffement ni élargissement excessif du nuage dans la direction verticale. Une efficacité jusque 30% des atomes initiaux a été mesurée après le transport, qui s’abaisse à 10% après recapture dans le réseau vertical.Une séquence de transitions Raman stimulées permet alors la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau puis leur recombinaison. Cet interféromètre nous permet de remonter à la différence d’énergie entre ces puits, liée aux différents potentiels vus par les atomes. Une première mesure de force a ainsi pu être réalisée jusqu’à une distance de 1 µm de la surface et mettre clairement en évidence l’apparition d’un potentiel attractif. De premières analyses suggèrent toutefois qu’un champ électrique parasite dû à l’adsorption d’atomes de Rubidium sur la surface s’additionnent à la contribution due au potentiel de Casimir-Polder attendu.

At the micrometer scale, atom-surface interactions are dominated by the Casimir-Polder potential. This thesis is part of the development of the ForCa-G (Casimir Force and Short Range Gravitation) experiment where the measurement of short range forces (around the micrometer range) is performed using 87Rb atoms cooled to temperatures of the order of a few hundred nano-kelvin and trapped in a vertical optical lattice in the vicinity of a dielectric surface.In order to avoid contamination of this surface during the cooling steps, the atoms are prepared 30 cm below. We prove the efficiency of our transport method using Bloch oscillations, allowing both a satisfactory control of their final position without heating or excessive enlargement of the cloud radius in the vertical direction. An efficiency of up to 30% of the initial number of atoms has been measured after transport, which drops to 10% after recapture in the vertical lattice.A sequence of stimulated Raman transitions then allows the spatial and coherent separation of the atomic wave packets on adjacent wells of the lattice and their recombination. This interferometer allows us to measure the energy difference between these wells, which is related to the different potentials seen by the atoms. A first measurement has been performed up to a distance of 1µm from the surface, demonstrating the appearance of an attractive potential near the surface. However, initial analyses suggest that a parasitic electric field due to the adsorption of Rubidium atoms on the surface adds to the expected Casimir-Polder potential contribution.