Le mémoire présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) actuellement en cours de développement à l'Observatoire de Paris. L'objet de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre un atome et une surface massive. Les interactions recherchées sont du type électrodynamique quantique (effet Casimir-Polder) et gravitationnelle. Le travail a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l'expérience afin de prévoir les signaux et les performances de l'expérience. Ceci a permis l'optimisation du schéma expérimental pour la mesure à la fois de l'effet Casimir-Polder à une précision non encore atteinte ainsi que pour la recherche de déviations à la loi de Newton prédites par les théories d'unification.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00788325/document

Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions, une horloge à réseau optique nécessite des puissances lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, au premier ordre, les perturbations induites par le piège. Le mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. Ainsi, il passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent étant mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui le rendent un excellent candidat pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique (PMO) via un système de détection assez sensible, ce qui a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans le PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement subDoppler des isotopes fermioniques. Il s’en suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure qui est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362 ± 5) nm. La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie suivi d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S₀ → 3P₀ dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope ¹⁹⁹Hg. Avec l'utilisation du système laser ultrastable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, il a été déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrant ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude.

Consultez l'intégralité de la thèse

Université Paris 6 Pierre et Marie Curie – Physique

Thèse soutenue le 23 février 2012

L'objet de la thèse est la caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique d'atomes de césium contenue dans une cellule avec gaz tampon et l'étude des principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme. La particularité de l'horloge à piégeage cohérent de population développée est la combinaison de deux techniques originales : utilisation d'un schéma d'excitation en double-Λ et interrogation pulsée. Cela permet d'obtenir un signal étroit, une grande amplitude et des déplacements de fréquence liés à l'intensité laser réduits. La stabilité de fréquence à moyen-long terme des horloges à cellule est généralement limitée par les déplacements induits par les collisions avec le gaz tampon et par des effets liés à l'intensité laser. Une partie importante du travail réalisé est consacrée à l'étude des déplacements collisionnels en présence de gaz tampon (néon, azote, et argon) et à leur dépendance thermique. Les valeurs des coefficients de la dépendance thermique, mal connues ou inconnues jusqu'à présent, ont été établies, ce qui a permis de réaliser une cellule optimale contenant un mélange de gaz tampon ayant une sensibilité thermique nulle autour de température de fonctionnement. Suite à l'étude de l'amplitude du signal et des temps de relaxation, les valeurs optimales des paramètres de fonctionnement en horloge (séquence d'interrogation, champ magnétique, la température de la cellule, pression du mélange, etc.) ont été déterminées pour cette cellule. L'étude des effets liés à l'intensité laser a permis de déterminer les paramètres sensibles (rapport des intensités laser, température) et de mettre en place des stabilisations nécessaires pour les réduire. Finalement, la stabilité de fréquence à moyen-long terme a été améliorée d'un facteur 40 pour attendre 2,5×10^–14 à 1 h en valeur relative.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00669784/document

La technique TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) a démontré des performances remarquables par sa contribution dans l’organisation du TAI/UTC, en termes de stabilité des liens micro-ondes et d’incertitude combinée sur l’écart entre [UTC-UTC(k)]. Cependant, l’étroitesse de la bande passante des codes utilisés ne permet pas la comparaison à moins d’un jour des étalons primaires de fréquence, et le recours à l’utilisation de la phase des porteuses est une piste privilégiée. Le travail de la thèse a consisté à étudier et développer la méthode two-way phase, choisie selon un ensemble de critères cohérents comme la disponibilité et la configuration adaptée de deux stations terriennes, la distribution adaptée des signaux d’horloges de hautes performances, la disposition d’un simulateur de satellite caractérisé et l’utilisation d’une même bande de fréquence satellite. La technique utilisée s’appuie simultanément sur des mesures two-way entre stations distantes et sur des mesures de ranging effectuées par chaque station, l’ensemble étant basé sur le principe de propagation liée à la vitesse de phase. De plus, une analyse expérimentale par le code (et par la phase) est effectuée et des solutions efficaces conduisant à la réduction du bruit des liens sont proposées. Les principaux résultats de mesures obtenus par la mise en œuvre de cette technique au laboratoire montrent une stabilité de fréquence de 1×10^–12 à 1 s et de de 3×10^–14 à 100 s, avec deux stations alimentées par un même maser à hydrogène actif de très hautes performances. Ce travail s’est achevé par la contribution dans l’application de la technique de transfert de temps two-way sur un lien fibré long de 540 km en collaboration avec le LPL, révélant des résultats très prometteurs.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00831596/document

La Relativité Générale n'est probablement pas la théorie ultime de la gravitation. Cette affirmation est motivée par des considérations théoriques liées à la recherche d'une théorie quantique de la gravitation et aux tentatives d'unification des interactions fondamentales. Une autre motivation provient des observations cosmologiques expliquées par l'introduction de matière noire et d'énergie sombre non observées directement à ce jour. La thèse se propose de déduire des signatures observables expérimentalement provenant de théories alternatives de la gravitation. Dans cette optique, il a été développé des outils qui permettent de simuler des observations dans des théories alternatives de la gravitation pour deux échelles différentes : dans le cadre du système solaire et dans le cadre de la cosmologie. Dans le cadre du système solaire, des logiciels ont été développés permettant de simuler des observations spatiales de Range, Doppler et de type astrométrique. Au niveau cosmologique, le développement d’un logiciel a permis de simuler des observations de distance-luminosité de Supernovae Ia. Ces outils permettent de dériver les signatures caractéristiques des théories alternatives. Ainsi, ces différents outils ont été appliqués à quelques théories alternatives de la gravitation et ont permis de répondre à cette question : quel est l'impact d'une modification de la théorie de la gravitation sur des observations et est-il possible de la détecter ?

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00764542/document

La thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à des températures cryogéniques (de 3 K à 15 K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématique sur la gamme de fréquence [1 MHz − 90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417×10⁶ et des produits Q·f (facteur de qualité Q, à la fréquence f) pouvant atteindre 3,07×10¹⁶ Hz ont été mesurés pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité ne dépend pas de la fréquence à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4 K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. La thèse présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryo-géniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4×10⁻¹³ à 100 s et restent à mieux que 1×10⁻¹² entre 1 s et 2 000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1,5×10⁻¹² à 200 s et meilleure que 1×10⁻¹¹ pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.

Le piégeage d’atomes sur puce ouvre de nouvelles possibilités pour la métrologie temps-fréquence et l’interférométrie atomique intégrée. L’expérience TACC (Trapped Atomic Clock on a Chip) a pour but d’étudier le potentiel des gaz quantiques, dégénérés ou non, pour la métrologie, et d’élaborer de nouveaux outils pour la manipulation des atomes. Elle vise notamment la réalisation d’un étalon secondaire de fréquence avec une stabilité de quelques 10^–13 à une seconde. La thèse s’inscrit dans ce contexte, présentant les résultats de quelques expériences de métrologie réalisées avec des nuages thermiques ou des condensats de Bose-Einstein. Dans un premier temps, il a été démontré une stabilité de 5,8×10^–13 à une seconde, les bruits techniques limitant cette stabilité étant caractérisés. Ensuite, une étude de la cohérence des condensats et en particulier l’effet des interactions a été présenté. Les données sont comparées à un modèle numérique. Dans un deuxième temps, sont présentés quelques outils développés pour la production et la manipulation d’atomes sur puce. Il est d’abord démontré la réalisation d’un puissancemètre atomique pour la micro-onde et estimé les limites actuelles de ses performances. Puis que des champs micro-onde ayant des gradients élevés permettent la manipulation cohérente de l’état externe des atomes. Enfin, un nouveau dispositif pour la production d’un nuage d’atomes froids à haute cadence est présenté et caractérisé, basé sur la modulation rapide de la pression de rubidium dans une cellule.

Le projet ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d’interférométrie atomique. Dans cette région, la force prédominante devient celle de Casimir-Polder qui est une force de type électromagnétique s’exerçant entre un atome neutre et une surface. De plus, une mesure précise de cette force permettrait la poursuite de la recherche d’éventuelles déviations à la loi de Newton à courte distance, prédites dans le cadre de théories de l’unification des quatre interactions fondamentales.

Le travail réalisé durant cette thèse constitue une démonstration de principe de ce projet, en utilisant des atomes situés loin du miroir. Ceux-ci sont préalablement refroidis afin d’être piégés dans une multitude de puits de potentiel générés par une onde stationnaire optique. L’incrément en énergie potentielle de pesanteur est alors mesuré, puis représenté par la fréquence de Bloch υ_B.

Pour cela, le principe de superposition d’états quantiques est utilisé afin de générer un état d’ubiquité permettant aux atomes d’être dans deux puits différents du réseau au même instant. Enfin, de l’évolution de leur phase atomique, la différence de potentiel expérimentée par les atomes dans cet interféromètre atomique est déterminée.

Différents interféromètres atomiques dans ce réseau optique ont été étudiés, caractérisés en terme de sensibilité et d’effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Un des interféromètres étudiés, l’interféromètre Accordéon, a permis d’obtenir une sensibilité relative de σ(δυ_B/υ_B) = 9,0×10⁻⁶ à 1 s, qui s’intègre jusqu’à σ(δυ_B/υ_B) = 1,9×10⁻⁷ en 2 800 s. Cela constitue une mesure de l’accélération de la pesanteur g à l’état de l’art des gravimètres atomiques piégés.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00921181/document

Le travail de thèse a été la caractérisation d’un nouveau gyromètre à ondes de matière de très grande sensibilité. L’utilisation d’une seule source d’atomes de césium refroidis par laser dans une configuration de type fontaine permet d’atteindre des temps d’interaction proches de 1 s.

La manipulation cohérente des atomes a été réalisée par des transitions Raman stimulées : une nouvelle séquence d’interrogation à quatre impulsions, insensible à l’accélération continue, a permis d’atteindre une aire macroscopique de 2,4 cm² sensible à l’effet Sagnac et le meilleur niveau des gyromètres à atomes froids. La taille de l’instrument le rend particulièrement sensible aux vibrations : une isolation passive acoustique et sismique a été développée pour découpler le capteur de son environnement. La mesure de l’accélération résiduelle des miroirs permet de corriger a posteriori la phase atomique, et améliore ainsi la sensibilité de l’instrument.

Une nouvelle technique de mesure sans temps mort a été démontrée : celle-ci permet d’améliorer d’un ordre de grandeur la sensibilité d’un interféromètre de type horloge, et présente de potentielles applications pour d’autres classes de capteurs inertiels atomiques ainsi que pour la navigation inertielle.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01053196/document

Les travaux de cette thèse ont porté sur l’étude de la spectroscopie CPT de cellules de vapeur de césium. À partir d’une horloge atomique CPT classique générant des signaux à faibles contrastes CPT, un nouveau dispositif expérimental a été développé afin de détecter de meilleurs contrastes sur les résonnances CPT en utilisant la technique dites du push-pull optical pumping (PPOP). Une analyse théorique de la technique PPOP a été réalisée et a permis sa comparaison avec la technique standard dites du schéma d’interaction ligne par ligne (line per line interaction scheme). La technique PPOP a permis de montrer un signal de la résonance CPT ayant un contraste de 78 % en régime continue, ce qui représente une amélioration de presque deux ordres de grandeurs comparée à la technique standard.

L’impact de quelques paramètres expérimentaux agissant sur la largeur de la résonnance CPT a également été étudié. Afin de réduire cette largeur, une nouvelle architecture originale du système laser a été développée et a combiné pour la première fois la technique PPOP et l’interrogation Ramsey pour la détection de franges étroites de CPT-Ramsey avec un fort contraste, ouvrant ainsi la voie vers le développement de nouvelles horloges CPT de très hautes performances.

Consultez l'intégralité de la thèse

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00961415/document