Étude théorique d'expériences de gaz quantiques dans un laboratoire en orbite terrestre

Theoretical study of quantum gas experiments in an Earth-orbiting research laboratory

• Auteur / Autrice : Annie Pichery
• Direction : Eric Charron, Ernst Rasel, Naceur Gaaloul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universität Hannover
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....) - Institüt für Quantenoptik (Hanovre, Allemagne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Elina Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Baptiste Battelier, Klemens Hammerer, Goulven Quéméner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Baptiste Battelier, Nick Proukakis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impesanteur

Interférométrie atomique

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Condensat de Bose-Einstein

Mélanges dégénérés quantiques

Microgravité

Bose-Einstein condensate

Quantum-Degenerate mixtures

Microgravity

Résumé

Un des principaux objectifs de la physique fondamentale est d'unifier la relativité générale, qui décrit les phénomènes macroscopiques régis par l'influence de la gravité, à la mécanique quantique, qui se concentre sur les effets à l'échelle microscopique. Les ensembles d'atomes froids, en tant qu'objets massifs quantiques, se trouvent au croisement de ces deux théories et paraissent comme des sujets de tests idéaux. Ils peuvent être utilisés pour tester des théories qui postulent une violation des principes d'équivalence d'Einstein et en particulier une violation de l'universalité de la chute libre (UFF).Des propositions récentes suggèrent d'utiliser des mélanges de condensats de Bose-Einstein (BEC) comme sources d'interféromètres atomiques de précision pour implémenter des tests UFF. Ces expériences ont le potentiel d'atteindre et même de dépasser la précision des meilleurs tests réalisés avec des masses classiques durant la mission MICROSCOPE. L'exécution d'expériences en microgravité permet des temps d'interrogation plus longs, améliorant par conséquent les performances des capteurs à ondes de matière. Pour optimiser l'implémentation des tests UFF, il est nécessaire d'avoir un contrôle parfait des atomes dû aux exigences strictes sur le budget d'erreurs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la conception d'états d'entrée avec un contrôle en position et vitesse des nuages d'atomes, ainsi que leurs évolutions en taille.Les expériences étudiées ici sont conçues avec des montages avec puce atomique qui manipulent les atomes à l'aide de pièges magnétiques. La plupart des applications présentées sont des expériences réalisées dans le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA à bord de la Station Spatiale Internationale dans le cadre du Consortium for Ultracold Atoms in Space. Cette machine à BEC multi-utilisateur permet la manipulation de BEC simple-espèce à son installation ainsi que celle de mélanges de BEC double-espèces après des améliorations. En suivant cette chronologie, nous étudions d'abord la dynamique de BEC simple-espèce puis étendons ce travail à la manipulation d'un mélange de deux BECs en interaction. La première étape après la calibration du modèle à puce est de concevoir un transport rapide et robuste pour éloigner les atomes de la puce. Nous présentons et utilisons un protocole de raccourci à l'adiabaticité sur la base de rétro-ingénierie, pour transporter le BEC et atteindre les exigences sur le contrôle de la position et vitesse finale. L'expansion libre du nuage atomique avec la chute inhérente de densité rend la détection du signal difficile. Par analogie avec la lumière, il est possible de collimater le nuage atomique avec une lentille atomique à l'aide de la technique de Delta-Kick Collimation. Les applications à CAL ont abouti à des énergies d'expansion de l'ordre de la dizaine de pK. Pour simuler le processus d'imagerie et soutenir l'analyse de données, des modèles théoriques qui prennent en compte les effets de résolution de la caméra et les changements de repères associés à l'orientation de la caméra ou l'orientation du potentiel de piégeage par rapport à la puce atomique sont présentés.L'espace permet la manipulation de mélanges de condensats de Bose-Einstein sous des conditions de miscibilité impossibles à obtenir au sol. La colocation des centres des pièges pour les différentes espèces en microgravité peut mener à des topologies différentes de l'état fondamental du piège. De plus, l'énergie d'interaction entre les espèces peut jouer un rôle significatif dans la dynamique du mélange lors de son transport. Cependant, la simulation de la dynamique de mélanges de BEC double-espèces en interaction est un défi sur le plan des ressources informatiques, surtout à cause des longues durées d'expansion. Dans ce travail, des méthodes de mise à l'échelle pour dépasser ces limitations sont présentées et illustrées dans des cas d'expériences dans l'espace dans CAL et à bord de fusées-sondes.

One of the major goals of fundamental physics is to unify general relativity, which describes macroscopic phenomena driven by the influence of gravity, with quantum mechanics, which focuses on effects at microscopic scales. Ensembles of cold atoms, as massive quantum objects, lie at the crossroads of both theories and appear as a test object of choice. They can be used to test theories that postulate a violation of Einstein's Equivalence Principles, in particular a violation of the Universality of Free Fall (UFF).Recent proposals suggest using mixtures of Bose-Einstein condensates (BEC) as sources for precision atom interferometry to perform UFF. These have the potential to match the precision of the best tests with classical test masses performed during the MICROSCOPE mission, and may even provide better results in the long term. The realization of experiments in microgravity, where atoms can float for long periods of time, allows longer interrogation times, thus increasing the performance of matter-wave sensors. To optimize the implementation of UFF tests, one needs exquisite control of the atoms due to stringent requirements on the error budget. In this work, we focus on the design of the input state with control over the position and velocity of the atom clouds, as well as their size evolution.The experiments studied here are designed with atom chip setups that manipulate atoms with magnetic traps. Most of the applications presented are experiments performed in the NASA Cold Atom Laboratory (CAL) aboard the International Space Station as part of the Consortium for Ultracold Atoms in Space (CUAS). This multi-user BEC machine allows the manipulation of single species BEC at its installation as well as dual species mixtures after upgrades. Following this chronology, we first study the dynamics of single species BEC and then extend the work to the manipulation of an interacting mixture of two BECs. The first step after calibrating the chip model is to design a fast and robust transport protocol to move the atoms away from the atom chip. We present and use a Shortcut-To-Adiabaticity (STA) protocol, based on reverse engineering, to transport the BEC and meet the requirements of position control at the sub- extmu m level and velocity control at the hundreds of extmu m/s level. The free expansion of the atom cloud with its inherent atomic density drop makes signal detection difficult. By analogy with light, it is possible to collimate the atom cloud with atomic lenses using the Delta-Kick Collimation (DKC) technique. Application to CAL resulted in expansion energies in the tens of pK level. To simulate the imaging process and to support the data analysis, theoretical models are presented that take into account the resolution effects of the camera and the frame transformations associated with the orientation of the camera or the orientation of the trapping potential with respect to the atom chip.Space allows the operation of Bose-Einstein condensate mixtures under miscibility conditions not possible on the ground. The colocation of the trap center for the different species in microgravity can lead to different topologies of the trap ground state. Moreover, the interaction energy between the species, which is almost negligible in the ground state, plays a significant role in the dynamics of the mixture during its transport. However, the simulation of the dynamics of interacting dual-species BEC mixtures is computationally challenging, particularly due to the long expansion times. In this work, scaling techniques to overcome these limitations are presented and illustrated in the case of space experiments in CAL and aboard sounding rockets. Such scaled-grid approaches make it possible to simulate long transports with free expansion times on the order of seconds, which would not be feasible with a fixed-grid approach on reasonable time scales, not to mention the problems of memory usage.