Atom interferometry: experiments with electromagnetic interactions and design of a Bose Einsteincondensate setup.
Interférométrie atomique : expériences d’interaction électromagnétique et conception d’un nouvelinterféromètre à condensats de Bose-Einstein.
Résumé
This thesis’s first part describes the realization of three experiments using an atom interferometeroperated with a Lithium supersonic beam. The second part presents the development of a new BECinterferometer designed to test matter neutrality.The first three experiments rely on the interactions of Lithium atom with different electromagnetic fields.A time dependent electric potential difference was used to produce phase modulation of bothinterferometer arms at different frequencies, leading to homodyne and heterodyne detection of atomwaves. A geometric phase of light (the Pancharatnam phase) was successfully transferred to ourinterferometer signal during Bragg diffraction, enlarging the atom optics toolbox for phase control in anatom interferometer. Finally, a focused laser beam was used to measure accurately the value of oneLithium tune-out wavelength (for which its dynamic polarizability is zero).The new BEC interferometer was designed to measure a possible non-zero electric charge of Rubidiumisotopes 85Rb and 87Rb with enhanced sensitivity to the electron-proton charge difference and neutronneutrality. This setup relies on a large spatial separation between the two interferometer arms in afountain configuration aiming at a cycle time of 5s. These features required particular design work bothon the atomic source (atom-chip) and the diffraction process (Large Momentum Transfer). The technicalchoices on the vacuum chambers, laser system and magnetic sources are described and characterized.Finally, the up-to-date cold-atom source performances is shown and compared to our expectations.
La première partie décrit trois expériences réalisées avec l’interféromètre atomique à jet de lithiumsupersonique développé à Toulouse. La seconde partie présente le nouvel interféromètre atomique àcondensats de Bose-Einstein (CBE) développé dans le but de tester la neutralité de la matière.Les trois premières expériences exploitent l’interaction entre un atome de lithium et différents champsélectromagnétiques. Une différence de potentiel électrique dépendant du temps a servi à moduler la phasedes deux bras de notre interféromètre à des fréquences différentes, ce qui a permis une détectionhomodyne et hétérodyne d’ondes de matière. Une phase géométrique de la lumière (la phase dePancharatnam) a été transférée à notre signal interférométrique par les réseaux de diffraction de Bragg cequi a ajouté un nouvel outil à la panoplie permettant le contrôle d’ondes de matières. Enfin, un faisceaulaser focalisé sur un seul des deux bras nous a permis de mesurer avec exactitude une des longueursd’onde d’extinction du lithium (correspondant à une valeur de polarisabilité dynamique nulle).L’objectif du nouvel interféromètre à CBE est de réaliser une nouvelle mesure de la charge électriquerésiduelle de la matière et en particulier des isotopes du rubidium 85Rb et 87Rb. Cette mesure nouspermettra de connaître avec une plus grande sensibilité la différence de charge entre le proton et l’électronainsi que la charge du neutron. Le principe de cette mesure repose sur une séparation spatiale importanteentre les deux bras d’un interféromètre en fontaine ainsi que sur un temps de cycle de 5 s. Cescaractéristiques ont nécessité un travail de conception à la fois au niveau de la source (une puce à atome)et au niveau du phénomène de diffraction (séparation en impulsion importante) qui sera exposé dans unpremier temps. Dans un second temps, les choix techniques en matière de chambre à vide, système laseret sources de champs magnétiques seront décrits et caractérisés. Enfin, les performances actuelles de cettesource d’atomes froids seront présentées et comparées à nos attentes.
