Réalisation d’un gradiomètre atomique basé sur des séparatrices de Bragg

Realisation of an atomic gradiometer based on Bragg diffraction

• Auteur / Autrice : Raphaël Piccon
• Direction : Franck Pereira Dos Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Laurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Goldfarb, Sébastien Merlet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Lahaye, Yannick Bidel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Interférométrie atomique

Atomes froids

Gravimétrie (géophysique)

Mots clés libres

Interféromètre atomique

Atomes froids

Gravimètre

Gradiomètre

Métrologie

Atomic interferometry

Cold atoms

Gravimeter

Gradiometer

Metrology

Résumé

Ce manuscrit détaille des travaux de thèse effectués au SYRTE sur l’expérience de gradiomètre à atomes froids. Le gradiomètre est un capteur quantique utilisant deux interféromètres à atomes froids afin de mesurer l’accélération de pesanteur en deux endroits distincts de l’espace et ainsi mesurer localement le gradient de gravité. Le capteur était fonctionnel à mon arrivée avec deux sources d’atomes froids et un interféromètre utilisant des impulsions Raman. Dans le but d’améliorer la sensibilité de l’instrument, nous avons implémenté et caractérisé la diffraction des atomes dans le régime quasi-Bragg et nous avons réalisé un interféromètre avec ces impulsions pour différents ordres de diffraction. Les ports de sortie étant dans le même état interne mais sur deux états d’impulsion différents, il est difficile de les mesurer indépendamment avec une méthode classique de détection par temps de vol. Nous avons donc développé puis caractérisé une nouvelle méthode permettant d’augmenter leur séparation spatiale avant leur détection à l’aide d’un ascenseur de Bloch. Nous avons également implémenté un ascenseur de Bloch en début de séquence afin d’opérer l’interféromètre en configuration fontaine et profiter d’un temps de chute libre maximal. Un miroir monté sur un tip tilt a été caractérisé afin de compenser l’accélération de Coriolis subie par les atomes pendant leur chute et un collimateur à profil d’intensité plat (‘flat top’) a été implémenté sur l’expérience afin d’éclairer les atomes de manière uniforme. Une sensibilité au gradient de gravité de 255 E à une seconde a été démontrée.

This manuscript details the thesis work done at SYRTE on the cold atom gradiometer experiment. The gradiometer is a quantum sensor using two cold atom interferometers to measure the gravity acceleration at two distinct locations in space and thus measure locally the gravity gradient. The sensor was functional at my arrival with two cold atom sources and an interferometer using Raman pulses. In order to improve the sensitivity of the instrument, we have implemented and characterized the diffraction of the atoms in the quasi-Bragg regime and we have realized interferometers for different diffraction orders. The output ports being in the same internal state but on two different momentum states, it is difficult to measure them independently with a classical time-of-flight detection method. We have therefore developed and characterized a new method to increase their spatial separation before detection using a Bloch elevator. We also implemented a Bloch elevator at the beginning of the sequence in order to operate the interferometer in a fountain configuration and take advantage of a maximum free fall time. A mirror mounted on a tip tilt have been characterized to compensate for the Coriolis acceleration experienced by the atoms during their fall and a flat top collimator was implemented on the experiment to illuminate the atoms in a uniform way. A sensitivity to the gravity gradient of 255 E at one second has been demonstrated.