Amélioration de la séparation en impulsion dans les interféromètres atomiques : séquences cohérentes de diffraction de Bragg et accélération de Floquet

Enhancement of momentum separation in atom interferometers : coherent sequences of Bragg diffraction and Floquet acceleration

• Auteur / Autrice : Tangui Rodzinka
• Direction : David Guéry-Odelin, Alexandre Gauguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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 : Bess Fang-Sortais, Philippe Bouyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Cladé, Benjamin Canuel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes froids

Réseau de Bragg

Interféromètres

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Atomes froids

Physique quantique

Diffraction de Bragg

Optique atomique

Formalisme de Floquet

Atom interferometry

Cold Atoms

Quantum physics

Bragg diffraction

Atom optics

Floquet formalism

Résumé

Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.

My thesis work, carried out at LCAR, focuses on the development of atom interferometers exploiting Bose-Einstein condensates manipulated by optical lattices. I present various methods for creating interferometers with a large momentum separation between the two arms of the interferometer. A first approach is based on high-order diffraction, in the so-called quasi-Bragg regime. One chapter is dedicated to this description, highlighting the importance of non-resonant multiphoton transitions on interferometer signals. The next chapter describes an atom beam splitter scheme, based on a succession of pi pulses each transferring 2ℏk. We have thus demonstrated a new, particularly efficient acceleration regime thanks to a destructive interference phenomenon between the losses. This method has enabled us to produce an interferometer with a separation of 200 recoil momentum. Finally, the last chapter of my manuscript introduces a new technique exploiting the Floquet formalism, which generalizes previous atom beam splitters as well as those based on Bloch oscillations. To optimally prepare the Floquet states transported by the optical lattice, we implemented optimal control techniques. This approach has enabled us to experimentally demonstrate interferometers with a momentum separation of 600ℏk, with a visibility of 20%. This result represents the largest momentum separation achieved in an interferometer. The beam splitter developed in this thesis can potentially improve fine structure constant measurements and the sensitivity of inertial sensors exploiting atomic interferometry techniques. In addition, these separators pave the way for interferometers with very high spatial separation. These interferometers are attracting growing interest in fundamental physics, offering various possibilities for testing general relativity, matter neutrality and dark matter models. The longer-term aim of the experiment I've been working on will be to test the neutrality of the atom using a new method based on the Aharonov-Bohm phase. We expect an improvement of several orders of magnitude over current limits.