Métrologie des champs électromagnétiques avec des atomes froids de Rydberg dans des pièges optiques

Metrology of electromagnetic fields with cold Rydberg atoms in optical traps

• Auteur / Autrice : Anthony El bekai
• Direction : Sylvain Schwartz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Capteurs de champs électromagnétiques

Métrologie quantique

Atomes froids

Quantum metrology

Electromagnetic field sensors

Rydberg atoms

Cold atoms

Résumé

Les atomes de Rydberg, qui possèdent un nombre quantique principal très grand devant 1, présentent un certain nombre de propriétés intéressantes pour les technologies quantiques: en particulier, les interactions entre atomes de Rydberg sont fortes et accordables et permettent ainsi de générer des états quantiques intriqués; leurs très grands dipôle électriques les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques permettant de mesurer ces derniers avec une très grande précision. Le contexte du projet est celui des capteurs quantiques à atomes de Rydberg, qui exploitent les grands éléments de matrice dipolaires entre états voisins dans les domaines micro-onde, radiofréquences et THz, pour effectuer des mesures très sensibles de champs électromagnétiques. La plupart des dispositifs actuellement étudiés utilisent le phénomène de transparence électromagnétiquement induite dans des vapeurs thermiques proches de la température ambiante. L'intérêt d'utiliser des atomes froids dans ce contexte est grandissant, leur très grand niveau de contrôle et de cohérence laisse entrevoir des améliorations de ce type de capteurs en terme de stabilité, exactitude, linéarité, résolution spatiale et autres. Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à explorer une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques avec des atomes froids de Rydberg. Le dispositif expérimental utilisé a récemment permis la démonstration d'une méthode innovante pour la mesure de l'amplitude et de la fréquence d'un champ micro-onde, basée sur une spectroscopie d'états de Rydberg par pertes induites dans un piège magnéto-optique [Duverger et al., Physical Review Applied, 22(4), 044039 (2024)]. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles techniques de mesure fondées sur le piégeage des atomes dans des pièges dipolaires optiques de type pinces optiques. Ces techniques ouvrent la voie à de nouvelles applications dans des domaines variés comme l'imagerie THz, la détection électromagnétique, la calibration des déplacements lumineux dans les horloges atomiques, mais aussi à des expériences de métrologie quantique où l'intrication entre atomes est mise à profit pour améliorer la sensibilité des mesures. Les travaux seront supervisés par deux chercheurs permanents de l'ONERA, ainsi que par un doctorant de 3ème année au début de la thèse. Intégré au sein de l'unité DPHY/SLM de l'ONERA, qui est un acteur mondialement reconnu des capteurs inertiels embarquables à base d'atomes froids, le doctorant sera également amené(e) à interagir avec le département électromagnétisme et radar de l'ONERA ainsi qu'avec nos partenaires académiques et industriels (SYRTE, LAC, LuMIn, IEMN, Thales TRT).

Rydberg atoms, which have a principal quantum number very large compared to 1, exhibit several interesting properties for quantum technologies: in particular, the interactions between Rydberg atoms are strong and tunable, thus allowing the generation of entangled quantum states; their very large electric dipoles make them extremely sensitive to electromagnetic fields, allowing them to be measured with very high precision. The context of the project is that of Rydberg atom quantum sensors, which exploit the large dipole matrix elements between neighboring states in the microwave, radiofrequency, and THz ranges to perform highly sensitive measurements of electromagnetic fields. Most of the devices currently under study utilize the phenomenon of electromagnetically induced transparency in thermal vapors at room temperature. The interest of using cold atoms in this context is growing; their very high level of control and coherence could lead to improvements in terms of stability, accuracy, linearity, spatial resolution, and other aspects. This thesis is part of a project aimed at exploring a new generation of electromagnetic field sensors with cold Rydberg atoms. The experimental setup used has recently enabled the demonstration of an innovative method for measuring the amplitude and frequency of a microwave field, based on spectroscopy of Rydberg states by induced losses in a magneto-optical trap [Duverger et al., Physical Review Applied, 22(4), 044039 (2024)]. The objective of this thesis is to explore new measurement techniques based on the trapping of atoms in optical dipole traps such as optical tweezers. These techniques open the way to new applications in various fields such as THz imaging, electromagnetic detection, calibration of light displacements in atomic clocks, but also to quantum metrology experiments where entanglement between atoms is used to improve the sensitivity of measurements. The work will be supervised by two permanent researchers at ONERA, as well as by a 3rd year PhD student at the beginning of the thesis. Integrated within ONERA's DPHY/SLM unit, which is a world-renowned player in embarkable inertial sensors based on cold atoms, the PhD student will also have the opportunity to interact with ONERA's electromagnetism and radar department as well as with our academic and industrial partners (SYRTE, LAC, LuMIn, IEMN, Thales TRT).