Métrologie de champs électromagnétiques RF par spectroscopie de déplétion de piège à partir d'atomes froids de Rydberg

Metrology of RF electromagnetic fields based on trap-loss spectroscopy with cold Rydberg atoms

• Auteur / Autrice : Romain Duverger
• Direction : Sylvain Schwartz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DPHY Physique, Instrumentation, Environnement, Espace
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Capteur de champs RF

Atomes froids

États de Rydberg

Spectroscopie de déplétion de piège

Effet Autler-Townes

RF field sensors

Cold atoms

Rydberg states

Trap-loss spectroscopy

Autler-Townes effect

Résumé

Un état de Rydberg est état atomique hautement excité, de grand nombre quantique principal, et dans lequel l'électron de valence évolue très loin du coeur de l'atome. En raison de cet éloignement, les transitions entre états de Rydberg, situées dans les domaines RF, micro-onde et THz, présentent un très grand moment dipolaire, ce qui les rend extrêmement sensibles aux ondes électromagnétiques proches de résonance avec elles. Récemment, cette forte sensibilité a été exploitée avec succès dans un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques RF et micro-onde, basés sur la spectroscopie du phénomène d'EIT dans des vapeurs chaudes d'atomes alcalins : le signal d'EIT, généré par l'interaction des atomes avec 2 faisceaux laser ''probe'' et ''control'', est utilisé pour sonder le doublet Autler-Townes créé par le couplage entre 2 états de Rydberg par le champ à mesurer. La séparation du doublet permet alors de retrouver l'amplitude du champ. Outre leur grande sensibilité, ces dispositifs présentent plusieurs autres intérêts : très large gamme de fréquences accessibles (RF à THz),besoin de calibration réduit par rapport à d'autres dispositifs, possibilité d'accéder à d'autres caractéristiques du champ, comme sa phase ou sa polarisation, etc... Cette thèse a pour objectif d'explorer certaines possibilités offertes par les atomes froids dans le domaine de la métrologie de champs électromagnétiques à partir d'atomes de Rydberg, ainsi que leurs intérêts et leurs limites. Pour cela, une grande partie de cette thèse sera consacrée à la construction d'une plateforme expérimentale capable de réaliser des mesures de signaux micro-ondes à partir d'atomes froids de Rubidium 87 suivant différents protocoles, puis à l'analyse de telles mesures. Une première possibilité, en cours d'étude actuellement, consiste à sonder le doublet Autler-Townes à l'aide d'un effet de dépletion du MOT lors de l'interaction des atomes avec les faisceaux de couplage vers les états de Rydberg et avec le champ à mesurer. Nous envisageons également, d'ici la fin de la thèse, d'explorer un cas similaire à celui des capteurs à vapeurs chaude (sondage du doublet Autler-Townes à l'aide d'un signal d'EIT), mais dans lequel la vapeur chaude est remplacée par un nuage d'atomes froids. Enfin, une perspective à plus long terme serait de réaliser des mesures à partir de matrices d'atomes de Rydberg uniques, chacun piégé dans un piège dipolaire. Ces dispositifs ont connu un développement rapide au cours de ces dernières années, et un grand succès dans les domaines de l'information et de la simulation quantique. Dans une telle matrice, chaque atome pourrait faire office de pixel dédié à la mesure soit de l'amplitude locale du champ, soit de l'amplitude d'une composante spectrale, donnant potentiellement accès à des niveaux de résolutions spatiale et fréquentielle inégalés. Les fortes interaction entre atomes de Rydberg au sein de ces matrices pourraient également ouvrir la voie à des protocoles de métrologie quantique, fondés sur l'intrication entre atomes, pour dépasser la limite quantique standard.

Rydberg states are highly excited atomic states, with a large principal quantum number, and in which the valence electron moves very far from the atom's core. Because of this distance, transitions between Rydberg states, which belongs to the RF, microwave and THz domains, exhibit a very large dipolar momentum, which makes them highly sensitive to electromagnetic waves close to resonance. Recently, this high sensitivity has been successfully harnessed in a new kind of RF and MW electromagnetic fields sensors, based on the EIT spectroscopy of hot vapors of alkaline atoms : the EIT signal, generatd by the resonant interaction between atoms and 2 laser beams called ''probe'' and ''control'', is used to probe the Autler-Townes doublet created by coupling 2 Rydberg states with the field that has to be measured. The separation between both peaks of the doublet thus enables to assess the amplitude of the field. In addition to their high sensitivity, these sensors have several other interests : a very wide frequency range (RF to THz), a reduced need for calibration compared to other devices, the possibility to measure other caracteristics of the filed, such as its phase or its polarization, etc... This thesis aims at exploring some possibilities offered by cold atoms in the domain of EM field metrology based based on Rydberg atoms, as well as their interests and limits. In this goal, most of this thesis will be dedicated to the building of an experimental device able to perform microwave signal measurementswith cold Rubidium 87 atoms according to different protocols, and then to the analysis of these measurements. A first possibility, currently in the process of being studied, consists in probing the Autler-Townes doublet using a trap loss effect in the MOT during the interaction between the atoms, the coupling beams and the microwave-field that has to be measured. We are also considering, from now until the end of the thesis, to explore a case very similar to the one of hot vapor based- sensors (probing the Autler-Townes doublet by means of an EIT signal), but in which the hot vapor would be replaced by a cold atoms cloud. Last, a more long term perspective would be to perform measurements usinf single Rydberg atoms arrays, each one trapped in a dipolar trap. These devices have been the subject to a rapid development , and to a large success in the fields of quantum simulation and computation. In such arrays, each atom could act as pixel dedicated to the measurement either of the local amplitude of the field, or of the amplitude of a spectral component, enabling this to reach outstanding levels of spatial and frequential resolutions. Furthermore, the strong interactions betweens Rydberg atoms could also pave the way for new quantum metrology protocols, based on the entanglement of atoms, in ordrer to overcome the standard quantum limit.