Interférométrie atomique utilisant un peigne de fréquences et progrès sur la mesure du recul atomique

Atom interferometry using frequency comb and progress on atomic recoil measurement

• Auteur / Autrice : Clément Debavelaere
• Direction : Saïda Guellati-Khelifa, Pierre Cladé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• 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 : Chris Westbrook
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Picqué, Arnaud Landragin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Champenois, Daniel Comparat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Condensation de Bose-Einstein

Interférométrie atomique

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Interférométrie

Peigne de fréquence

Métrologie quantique

Cold atoms

Interferometry

Frequency comb

Quantum metrology

Résumé

Ma thèse s'est concentrée sur deux sujets dans le domaine des mesures de précisions utilisant l'interférométrie atomique : le premier visait à développer un interféromètre atomique utilisant un peigne de fréquence, et le second visait à améliorer la précision de mesure du recul atomique pour déterminer la constante de structure fine, alpha. Tout d'abord, j'ai réussi à démontrer pour la première fois un interféromètre atomique basé sur des transitions Raman stimulées par un laser picoseconde, réalisant un gravimètre atomique avec une sensibilité relative de 10^{-7} en 5 minutes de temps d'intégration. Il a fallu pour cela mettre au point un système de contrôle de la ligne à retard qui a permis aux impulsions picosecondes de se superposer au nuage atomique en chute libre pendant 60 ms. Ceci a permis la réalisation d'un nouvel interféromètre basé sur des impulsions pi/2-pi-pi-pi/2 où les atomes peuvent être adressés localement dans chaque bras de l'interféromètre. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des études théoriques et des simulations numériques. Deuxièmement, j'ai étudié les effets systématiques limitant la précision de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de Rubidium. Des expériences avec un condensat de Bose-Einstein (BEC) ont révélé une sensibilité aux fluctuations locales de l'intensité du laser, ce qui a conduit à une nouvelle méthode robuste pour sonder le profil d'intensité du faisceau laser à l'intérieur de la chambre à vide. J'ai conçu, fabriqué et caractérisé de nouveaux collimateurs pour les faisceaux Raman et Bloch. Une optimisation minutieuse des paramètres expérimentaux a permis de réduire l'incertitude d'une mesure de 30%. De plus, grâce au BEC, nous avons observé un effet systématique lié à une réflexion parasite. Différents schémas de verrouillage de phase pour les lasers Raman ont été mis en œuvre et comparés afin de mieux comprendre l'impact de cet asservissement sur la valeur mesurée.

My thesis focused on two topics within the field of precision measurements using atom interferometry: the first aimed to develop an atom interferometer using a frequency comb, and the second aimed to improve the measurement accuracy of atomic recoil for determining the fine structure constant, alpha. Firstly, I successfully demonstrated for the first time an atom interferometer based on stimulated Raman transitions driven by a picosecond laser, achieving an atomic gravimeter with a relative sensitivity of 10^{-7} in 5 minutes of integration time. This involved developing a delay line control system that allowed picosecond pulses to overlap with the free-falling atomic cloud for 60 ms. This has enabled the realization of a new interferometer based on pi/2-pi-pi-pi/2 sequence where atoms can be addressed locally in each arm of the interferometer. The experimental results were complemented by theoretical studies and numerical simulations. Secondly, I investigated the systematic effects limiting the accuracy of the h/m ratio measurement between Planck's constant and the mass of a rubidium atom. Experiments with Bose-Einstein Condensates (BEC) revealed sensitivity to local laser intensity fluctuations, leading to a new robust method for probing the laser beam intensity profile inside the vacuum chamber. I designed, fabricated, and characterized new collimators for Raman and Bloch beams. Careful optimization of experimental parameters reduced shot-to-shot uncertainty by 30%. Additionally, thanks to the BEC, we observed a systematic effect related to a parasitic reflection. Different phase-locking schemes for the Raman lasers were implemented and compared to better understand the impact of this locking on the measured value.