L’objet de la thèse est l'étude des performances ultimes d'une horloge micro-onde à atomes refroidis par laser. Cette horloge, nommée MuClock, est entièrement intégrée et automatisée dans un volume de 0,7 m³. Le principe de fonctionnement repose sur une sphérique en cuivre, utilisée à la fois en tant que résonateur micro-onde pour interroger les atomes, et comme une sphère intégrante afin de créer un champ de lumière isotrope pour le refroidissement des atomes. L’horloge MuClock permet la mesure de la fréquence de transition hyperfine de l'état ⁵S_1/2 du rubidium 87 à partir d'une séquence constituée de trois étapes distinctes. Premièrement, en utilisant les technologies de doublage de fréquence à 1 560 nm, 10 millions d'atomes sont refroidis à une température d'environ 70 μK par la méthode de refroidissement isotrope. Ensuite, la méthode de spectroscopie de Ramsey est exploitée en appliquant deux impulsions micro-ondes séparées d'une durée effective de 40 ms pour interroger les atomes en chute libre dans la cavité. Enfin, environ 1,5 millions d'atomes sont détectés à mi-frange par absorption d'un faisceau lumineux vertical. Cette séquence d'environ 150 ms sur la MuClock permet d'atteindre une performance en stabilité relative de la fréquence d'horloge entre 3×10⁻¹³ et 5×10⁻¹³ à 1 s et de 1×10⁻¹⁵ en moins de deux jours, maintenue pendant plus d'un mois.

L'objectif de cette thèse est d'établir le bilan d'exactitude de la fréquence d'horloge et d’obtenir une incertitude de mesure totale inférieure à 5×10⁻¹⁴. Chacun des effets systématiques contribuant à décaler la mesure de fréquence d'horloge de la MuClock est étudié dans cette thèse. Le plus large d'entre eux, l'effet Zeeman quadratique, est corrigé en interrogeant les transitions magnétiques des atomes. Un autre effet, impossible à mesurer en utilisant les atomes, est l'effet des transitoires de phase, pour lequel un banc de mesure est spécifiquement conçu. Les mesures réalisées permettent d'optimiser la séquence d'horloge pour réduire la contribution de cet effet. Ce banc est également utilisé pour mesurer la variation de phase due à un changement de la taille de la cavité au cours de l'interrogation des atomes. Cet effet est supprimé en adaptant la méthode de chauffage de la cavité de la MuClock. Par ailleurs, une expérience d'imagerie par tomographie permet de mesurer la distribution spatiale des atomes et de la modéliser. Ce modèle est validé par des simulations numériques reconstruisant les signaux d'oscillations de Rabi et les franges de Ramsey de la MuClock. La distribution spatiale des atomes ainsi modélisée permet d'estimer plusieurs effets systématiques, comme les décalages par collisions entre atomes froids ou l'impact de la distribution spatiale de la phase du champ micro-onde. Cette distribution est modélisée à partir de simulations par éléments finis du mode de résonance de la cavité. Ces simulations sont également utilisées afin d'appréhender les biais possibles sur l'effet d'entraînement de fréquence de la cavité, dont la contribution est rendue négligeable en asservissant la fréquence de résonance de la cavité. Concernant les décalages de Ramsey et Rabi, ces effets sont mesurés à partir de spectroscopies de Ramsey de durées effectives variées. L'effet de rayonnement corps noir est évalué en considérant la géométrie spécifique de l’horloge MuClock. Enfin, les effets comme le décalage lumineux ou des phénomènes d'excitation hors résonance ont été vérifiés comme étant négligeables dans le bilan d'exactitude.

Au terme de ces études, l'exactitude de la MuClock a été évaluée avec une incertitude de 1,3×10⁻¹⁴. Des mesures de fréquence d'horloge pour de la MuClock raccordées aux références de fréquence du Laboratoire Temps-Espace valident la fréquence d'horloge évaluée avec un écart de 4×10⁻¹⁵. Néanmoins, l'incertitude pour ces mesures est plus élevée, de l'ordre de 2,6×10⁻¹⁴.

atomes froids, rubidium, horloge micro-onde, refroidissement laser, bilan d'exactitude

Consulter la thèse (FR) : non disponible car confidentielle jusqu’au 19/5/2027.

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LANDRAGIN A., GUESSOUM M., GEIGER R. and MARLIERE N., “High-performance gyroscope for rotational seismology”, Frontiers of Matterwave Optics 2024 (FOMO 2024), Chania, Crête, Grèce, 9-14 sept. 2024, Pres.: HAL-04749914.

DARMON S., SALDUCCI C., BIDEL Y., CADORET M., MAÏNOS A. et al., “Development of a cold atom absolute airborne gravimeter”, Frontiers of Matterwave Optics 2024 (FOMO 2024), Chania, Crête, Grèce, 9-13 sept. 2024.

MHAMMEDI N., PIEST B., BEAUFILS Q., CORGIER R. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Progress in implementation of Delta-Kick squeezing in an atom interferometer”, Frontiers of Matterwave Optics 2024 (FOMO 2024), Chania, Crête, Grèce, 9-13 sept. 2024, HAL-04760800.

PEREIRA DOS SANTOS F., BALLAND Y. and ABSIL L., “Measurement of short range forces with quectonewton stability”, Frontiers of Matterwave Optics 2024 (FOMO 2024), Chania, Crête, Grèce, 9-13 sept. 2024, HAL-04760745.

LORINI L., ABGRALL M., POINTARD B., LE TARGAT R., Gerginov V. et al., “Present status and future perspectives of atomic fountain frequency standards participating to ACES ground infrastructure”, ACES Workshop 2024, European Space Research and Technology Centre (ESA-ESTEC), Noordwijk, Pays-Bas, 23-25 oct. 2024, HAL-04945718.

LANDRAGIN A., « Capteurs quantiques à atomes froids : mesure du champ de pesanteur à toutes les échelles », Réunion du Projet QuBitAF du PEPR Quantique, Lyon, France, 28-29 oct. 2024, HAL-04779650.

LANCHEROS-NARANJO D., PESCHE M., MERLET S. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Doppler phases in conter-propagating geometry of atom interferometers”, 2^nd Colloquium GdR TeQ, Paris, France, 13-15 nov. 2024, https://gdrteq2024.sciencesconf.org/.

PAGOT L., LANCHEROS-NARANJO D., PESCHE M., MERLET S., SIDORENKOV L. et al., “Impact of Raman beam wavefront on the accuracy of an atomic gravimeter”, 2nd Colloquium GdR TeQ, Paris, France, 13-15 nov. 2024, https://gdrteq2024.sciencesconf.org/, HAL-04797657.

Cette thèse fait partie du projet ANR MAXSAW qui vise à développer des nouveaux composants fonctionnant dans le domaine RF, adaptés aux nouvelles fréquences 5G. Les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) sont largement utilisés pour distinguer les différentes fréquences des signaux RF. Malheureusement, la fréquence des filtres SAW classiques est limitée à 3,7 GHz. Les couches minces épitaxiales de LiNbO₃ sur du saphir accueillent des ondes acoustiques guidées qui répondent à la demande d'atteindre des fréquences et une efficacité plus élevées.

Nous avons tout d’abord produit des couches minces de LiNbO₃ sur des substrats de saphir. Des films minces de bonne qualité cristalline ont été obtenus. Nous avons aussi étudié leurs propriétés acoustiques par le biais de simulations et confirmé les fréquences pouvant être atteintes avec ces structures.

Puis, nous avons simulé, conçu et caractérisé des résonateurs SAW basés sur les couches minces de LiNbO₃ déposées sur saphir et les avons comparés à l’état de l’art. Des dispositifs acoustiques prometteurs ont été obtenus. Pour finir, une application au projet MAXSAW est présentée.

niobate de lithium, ondes acoustiques de surface, piézoélectricité, caractérisation électrique, propriétés physiques, piézoélectricité, ondes acoustiques, niobate de lithium

La thèse est sous embargo jusqu’au 23/09/2026.

Le développement de filtres RF à large bande fonctionnant à haute fréquence est urgent pour la mise en place de l'infrastructure de communication de la 5^e génération (5G). Le LiNbO3 est un matériau prometteur pour l'intégration dans des résonateurs/filtres à ondes acoustiques de volume (BAW) adaptés aux applications à haute fréquence en raison de ses s propriétés piézoélectriques élevées. Cependant, l'intégration de ce matériau implique généralement des techniques d’implantation ionique/polissage de monocristaux, ce qui pose des problèmes d'homogénéité d'épaisseur et donc de production à l'échelle industrielle.

Dans cette thèse, nous avons étudié l'intégration de films minces de 32.8°Y-LiNbO₃ à couplage élevé, déposés par DLI-CVD, dans des résonateurs BAW. Nous avons d'abord optimisé la croissance de la phase pure de LiNbO₃ avec une croissance texturée (01-12). Nous avons ensuite évalué les propriétés ferroélectriques, pyroélectriques et piézoélectriques des films LN obtenus, avec des valeurs de P_s = 52 μC/cm², pi = 60 μC/m². K et e_(31,f) = -2.81 C/m², comparables à celles du monocristal de LN.

Ensuite, nous avons optimisé le processus de fabrication pour l'intégration dans une structure HBAR afin d'évaluer les performances des films croît. Les HBARs ont démontré un k_eff² allant jusqu'à 22,4 % à une fréquence de résonance de 5,6 GHz. Pour intégrer les films dans des SMRs, nous avons d'abord optimisé la croissance et étudié la stabilité thermique du réflecteur de Bragg ZnO/Pt. Ce réflecteur a ensuite été utilisé pour fabriquer des SMRs basés sur le 32.8°Y-LN. La caractérisation électrique des SMRs fabriqués a montré des résonances à des fréquences dans la gamme de 5,2 à 5,7 GHz, indiquant un grand potentiel pour les applications de filtrage RF à haute fréquence.

niobate de lithium, filtres piézoélectriques, piézoélectricité, couches minces, CVD, résonateurs BAW, propriétés structurales

Thèse confidentielle jusqu’au 03/10/2034.

Les matériaux piézoélectriques sans plomb sont activement étudiés pour la récupération d'énergie, ainsi que les capteurs et les dispositifs d'ondes acoustiques haute fréquence. Dans ce manuscrit, différentes architectures et processus de microfabrication basés sur les cristaux piézoélectriques de LiNbO₃ et de KTa1-xNb_xO₃ sans plomb sont étudiés.

Dans une première partie, un récupérateur d'énergie de LiNbO₃ sur un substrat en silicium est fabriqué en utilisant le collage et le polissage de wafer. Les transducteurs ont atteint l'une des densités de puissance les plus élevées (965 μW/cm²/g²) par rapport aux dispositifs de récupération vibratoire avec ou sans plomb. Ensuite, la scalabilité du LiNbO3/Si vers les dispositifs de technologie MEMS est étudiée avec la gravure du LiNbO₃ et du silicium. La gravure du LiNbO₃ a été réalisée en mettant en œuvre une gravure ionique réactive en mode pulsé en utilisant les gaz Ar et SF₆. Un capteur accélérométrique a été démontré.

Dans une deuxième partie, notre intérêt s'est tourné vers les substrats métalliques flexibles. Une grande avancée a été réalisée en adaptant la technologie de collage Au-Au du LiNbO3 aux substrats métalliques. Les performances d'une poutre bimorphe de LiNbO₃-acier inoxydable-LiNbO3 ont atteint 209,7 μW/cm²/g² à 39,3 Hz.

Enfin, nous étudions des matériaux piézoélectriques alternatifs sans plomb KTa1-xNb_xO₃, pour une application dans les dispositifs SAW. Tout d'abord, une caractérisation structurelle et microstructurale du cristal a été effectuée, suivie de la fabrication et de la caractérisation d'un résonateur SAW simple port. Un couplage électrotechnique de 80 % a été obtenu, tandis que 49 % a été obtenu pour les résonateurs KNbO₃.

microfabrication, matériaux piézoélectriques, ondes acoustiques de surface, énergie, conversion directe, niobates et tantalates alcalins, récupération de l'énergie piézoélectrique, résonateur SAW

Thèse confidentielle jusqu’au 15/07/2034.

Cette thèse explore le développement d'un laser transportable à largeur de raie ultra fine intégrant une cavité Fabry-Pérot de haute finesse. La cavité est fabriquée à partir d'un verre ULE à très faible expansion thermique avec des miroirs en silice fondue contactés optiquement, visant à minimiser les perturbations thermiques et mécaniques et à améliorer la stabilité de la fréquence. Une nouvelle méthode numérique de stabilisation de fréquence utilisant une plateforme FPGA est introduite, visant une stabilité relative de fréquence de 1×10^-15 à 1 s. Cette approche contraste avec les systèmes analogiques traditionnels en offrant une stabilité accrue et une complexité réduite. L'étude examine également plusieurs limitations des lasers ultra-stables comme le bruit de phase, le bruit thermique, etc. et plusieurs approches pour atténuer ces sources de bruit. En outre, un système de distribution de fréquences optiques utilisant des boucles à verrouillage de phase basé sur un FPGA et des liaisons par fibre optique est détaillé, garantissant une transmission stable du signal sur des distances de laboratoire.

référence de fréquence optique, métrologie temps fréquence, oscillateur ultra-stable, banc de mesure de bruit de phase optique, stabilisation de fréquence laser

Consulter la thèse (EN) : TEL-04823081

Les horloges optiques ont atteint des précisions proches de 1×10⁻¹⁸. Elles sont utilisées dans diverses applications, comme la géodésie chronométrique, les tests de Relativité Générale, la recherche de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard, ainsi que pour la redéfinition de la seconde.

Parmi les espèces neutres, le mercure présente plusieurs avantages pour une horloge à réseau optique, notamment une faible sensibilité au rayonnement de corps noir et une pression de vapeur élevée à température ambiante. Jusqu’à présent, l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg était le seul utilisé dans ces horloges, mais sa durée de vie limitée dans l’état excité empêche d’exploiter pleinement le potentiel des nouveaux lasers ultra-stables. L’utilisation d’isotopes bosoniques permet de contourner cette limite grâce à une durée de vie potentiellement illimitée.

Cette thèse présente la première observation de la transition bosonique ¹⁹⁸Hg dans une horloge à réseau optique, grâce à plusieurs avancées expérimentales et la recherche d’une transition étroite dans une large plage d’incertitude. La transition de l’horloge bosonique est interdite, mais peut être induite par un champ magnétique élevé via la méthode du quenching. Cela permet des temps d’interrogation plus longs, ajustables aux propriétés du laser. Le premier défi a été de développer un système capable de générer un champ magnétique suffisamment fort pour induire cette transition avec un couplage maximal. Un autre défi était de concevoir un laser d’interrogation accordable et flexible, tout en maintenant un bruit faible, permettant ainsi d’interroger n’importe quel isotope sans bruit supplémentaire. Puisque le couplage augmente avec la puissance du laser, une étape cruciale a été d’augmenter la puissance de notre source UV ultra-stable.

Malgré ces avancées, des calculs ont montré que le couplage restait faible, rendant la transition difficile à trouver sur une large plage de fréquences. Diverses mesures et vérifications ont été effectuées, notamment un alignement précis avec l’isotope ¹⁹⁹Hg, pour maximiser les chances de succès. Grâce à ces efforts, la transition ¹⁹⁸Hg a été trouvée, marquant la première observation d’une transition d’isotope bosonique du mercure.

Suite à cela, le fonctionnement de horloge avec l’isotope bosonique ¹⁹⁸Hg a été établi, atteignant une stabilité de 10⁻¹⁵ à 1 s. Plusieurs études ont été réalisées, notamment la mesure du coefficient du déplacement Zeeman quadratique avec une précision permettant de le contrôler à 10⁻¹⁷ ou mieux. Et plusieurs études ont débuté sur d’autres effets systématiques comme le déplacement lumineux, le déplacement collisionnel et celui dû à la lumière du réseau, ainsi que la mesure de la longueur d’onde magique du ¹⁹⁸Hg. Une première comparaison avec le ⁸⁷Sr a permis d’atteindre une stabilité de 1,2×10⁻¹⁵ à 1 s, ouvrant la voie à une première mesure du rapport de fréquence ¹⁹⁸Hg/⁸⁷Sr. Les travaux sur l’isotope bosonique mèneront prochainement à la possibilité de mettre en œuvre des méthodes d’interrogation plus sophistiquées (spectroscopie hyper-Ramsey), ce qui permettra d’améliorer l’incertitude jusqu’à la limite du dispositif expérimental actuel.

Cette thèse présente également les analyses et résultats obtenus avec l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg lors d’une comparaison d’horloges par lien fibré réalisée avec plusieurs instituts européens en mars/avril 2023.

horloge à réseau optique, mercure, isotope fermionique et bosonique

Consulter la thèse (EN) : TEL-05034816

Cette thèse présente les derniers travaux réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids du LNE-SYRTE. Pour mesurer g, cet instrument, le CAG, réalise un interféromètre atomique à l’aide d’impulsions Raman sur un nuage d’atomes froids de rubidium 87 en chute libre. L’incertitude de mesure du CAG est limitée par le faisceau Raman, son profil de phase et d’intensité. Durant la thèse, l’instrument a été déménagé à l’Observatoire de Paris pour y apporter des améliorations afin de réduire ces effets et repousser les limites du CAG. Après une remise en route de l’instrument qui a permis d’atteindre des sensibilités similaires aux précédentes de 20×10⁻⁹·g Hz^−1/2, nous avons repris et poursuivi les études liées au faisceau Raman.

Le manuscrit détaille les travaux menés pour étudier la stabilité de puissance dans chacun des deux faisceaux Raman, ainsi que l’impact des inhomogénéités du profil d’intensité. Une étude du profil d’intensité, et en particulier de ses défauts, a permis d’étudier en détail le contraste. En effet, ces défauts sont une source d’inhomogénéité du déplacement lumineux sur le nuage d’atomes, causant une perte de contraste et pouvant amener à limiter la sensibilité. Ce phénomène entraine également un biais sur la mesure de g, de l’ordre de 5×10⁻⁹·g, qui n’est pas éliminé de l’algorithme de mesure et doit donc être pris en compte dans le bilan d’incertitude. Des premiers résultats sont également présentés sur le contrôle optimal de transitions Raman, par la mise au point d’une méthode expérimentale pour améliorer l’efficacité des transitions, et donc le contraste de l’interféromètre.

interférométrie atomique, gravimètre, capteur inertiel, atomes froids

Consulter la thèse (FR) : TEL-05035515

Les lasers ultra-stables basés sur le technique de trous brulés spectraux constituent une alternative prometteuse pour surmonter la limitation du bruit thermique dans le schéma traditionnel de cavité Fabry-Perot ultra-stable. Dans cette thèse, un cristal Eu³⁺Y₂SiO₅ à des températures cryogéniques est utilisé pour réaliser des trous spectraux étroits comme référence de fréquence.

Un schéma de détection multi-hétérodyne flexible et polyvalent basé sur radio logiciel est réalisé pour obtenir de faibles bruits de détection. Le cristal est refroidi à des températures inférieures à 1 K pour obtenir de meilleures performances en bruit et en sensibilité thermique. Parallèlement, certaines propriétés pertinentes des trous spectraux sont caractérisées dans ce régime de température, et des propriétés intéressantes, non prévues par des modèles théoriques simples sont mises en évidence.

En outre, un phénomène inédit est observé et analysé de façon préliminairement sur la base de plusieurs mesures de caractérisation, fournissant de nouvelles informations pour comprendre le système du cristal Eu3+Y2SiO5.

De façon remarquable, la stabilité de fréquence fractionnelle du laser, asservi sur des trous spectraux, a été améliorée de manière encourageante à 4(1)×10⁻¹⁶ à 1 s, soit environ 2 fois mieux que les meilleurs résultats publiés précédemment. Ceci fournit des preuves convaincantes du potentiel de l’approche des trous brûlés spectraux pour de futures applications métrologiques.

laser ultra-stable, Eu:YSO, trou spectral, métrologie des fréquences

Consulter la thèse (EN) : TEL-04822912

La matière noire ultralégère (avec pour acronyme anglais ULDM), classe de candidats de matière noire de faible masse (plus petites que 1 eV), constitue une alternative pertinente aux modèles historiquement dominants, tels que les WIMPs, et a récemment fortement attiré l’attention de la communauté scientifique. Dans cette thèse, nous étudions de nombreuses stratégies expérimentales pour la détection directe d’ULDM, au sol et dans l’espace. Plus précisément, nous proposons une modélisation théorique d’expériences actuelles et futures, et nous dérivons une estimation de leurs sensibilités respectives.

Nous nous concentrons principalement sur trois types de phénoménologies.

La première consiste en une interaction entre un candidat de matière noire vectoriel, plus communément appelé photon noir (DP), et l’électromagnétisme, qui induit un faible champ électrique oscillant à la fréquence de Compton du DP. Nous proposons d’abord une méthode innovante pour détecter ce petit champ électrique, qui consiste à mesurer l’effet Stark quadratique sur des atomes de Rydberg, piégés au centre d’une cavité micro-onde. Nous montrons qu’une telle expérience aurait une sensibilité lui permettant d’être compétitive avec les expériences de laboratoire existantes. Une autre façon de détecter ce champ électrique consiste en l’utilisation d’une antenne parabolique qui le réfléchit et concentre ainsi la puissance électromagnétique en son centre de courbure, où l’on place une antenne cornet (par exemple, l’expérience SHUKET au CEA Saclay). Nous investiguons analytiquement les effets de diffraction et de couplage de mode dans ce type de configuration, et nous montrons que l’intensité du signal attendu peut être significativement réduite comparativement aux estimations habituelles. Dans cette étude, nous proposons aussi une optimisation des paramètres expérimentaux pour augmenter le signal.

La seconde phénoménologie d’intérêt pour cette thèse est l’oscillation de la masse et de la fréquence de transition d’atomes ou de masses tests. Ces oscillations pourraient être produites par le couplage non universel entre les particules du Modèle Standard et un candidat scalaire de matière noire, comme le dilaton ou l’axion. Nous étudions en détail l’impact de ces oscillations sur plusieurs variations d’interféromètres atomiques et sur des expériences de tests classiques de l’universalité de la chute libre, et nous démontrons comment ces différentes expériences pourraient sonder des régions inexplorées de l’espace des paramètres. Ces oscillations de masse au repos pourraient aussi être observées à l’aide de détecteurs spatiaux d’ondes gravitationnelles, comme LISA, et nous investiguons la possibilité d’une telle détection en utilisant des orbites réalistes pour le détecteur. En particulier, en utilisant des méthodes bayésiennes, nous montrons que LISA pourra en effet séparer un signal de matière noire d’un signal d’ondes gravitationnelles. Nous montrons aussi que la faible vitesse de l’onde de matière noire n’est pas résoluble sur la majorité de la bande de fréquences de LISA, ce qui induit une diminution de la sensibilité de l’expérience aux constantes de couplage de la matière noire scalaire par rapport aux estimations précédentes.

Enfin, nous étudions la biréfringence du vide induite par l’interaction entre les photons et les axions, et nous nous intéressons à sa possible détection à l’aide de cavités optiques, de fibres optiques et de LISA. En particulier, nous montrons qu’une légère modification des bancs optiques de LISA lui permettrait de devenir l’expérience la plus sensible à ce couplage à faibles masses.

matière noire ultralégère, axion, dilaton, photon noir, capteur quantiques, horloge atomique, interférométrie atomique, interférométrie optique, LISA, principe d’équivalence, physique fondamentale

Consulter la thèse (EN) : TEL-04750272