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

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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

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Depuis le début du 20^e siècle, les observations géodésiques permettent de suivre les variations de la rotation de la Terre et ainsi d’étudier les effets dynamiques externes et internes à l’origine de ces variations. Les années 1980 ont vu les toutes premières tentatives d’estimation des variations sub-diurnes de la rotation terrestre grâce aux sessions intensives VLBI. Elles ont été suivies par des campagnes d’observation continue (CONT) du réseau VLBI puis les traitements des observations du GNSS. Alors que la capacité du réseau VLBI à estimer la variation subdiurne de la rotation de la Terre est encore limitée par la fréquence insuffisante des sessions d’observation régulières, le GNSS est avantagé par un réseau plus étendu et de ses observations beaucoup plus fréquentes.

Dans ce travail, nous utilisons les données de la constellation américaine GPS et de la constellation européenne Galileo couvrant la période 2017 à 2022 pour déterminer à la fois des solutions mono-constellation et des solutions multi-GNSS des ERP avec une résolution horaire avec le logiciel GINS/DYNAMO, développé et maintenu par le centre d’analyse français IGS GRG, géré par le CNES/CLS. Le choix de cette période assure une performance comparable entre les deux constellations. Nous avons testé les contraintes pour bloquer la bande rétrograde diurne (la nutation par convention).

Nous avons trouvé leur application bénéfique pour la détermination des autres bandes sub-diurnes, c’est-à-dire la bande diurne prograde et semi-diurnes prograde et rétrograde. Nous montrons également que pour une estimation horaire de UT1, il est nécessaire et suffisant de fixer les valeurs de UT1 à celles déterminées par les observations VLBI une fois par jour. Nous avons validé les solutions en comparant les réseaux terrestres et célestes résolus en même temps que les solutions ERP horaires aux réseaux des solutions finales GRG dans le cadre de la campagne IGS Repro3. Nous comparons les deux constellations par des analyses spectrales et harmoniques. Les séries temporelles des ERP après avoir retiré des effets de marées océaniques sont confrontées aux excitations géophysiques qui résultent de la circulation atmosphérique et océanique non-“maréale”, ainsi qu’à un développement harmonique dérivé des observations VLBI.

En parallèle, nous avons développé un nouveau modèle des effets sub-diurnes produits par les marées océaniques sur les ERP en nous fondant sur les derniers développements de la théorie du mouvement du pôle et de l’atlas des marées océaniques FES2014b. Une comparaison de ces résultats avec le développement harmonique VLBI met en évidence l’existence des termes de libration résultant de l’effet des marées luni-solaire sur la distribution asymétrique de la masse de la Terre dans le mouvement du pôle et l’UT1.

GNSS, mouvement du pôle, rotation de la Terre, marée océanique

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Ce manuscrit présente les premières mesures de force à faible distance entre un atome et une surface, qui constituait l'objectif à terme du projet Forca-G.

La mesure de force est réalisée par interférométrie avec des atomes piégés dans les puits de potentiel formés par un réseau optique vertical. Des transitions Raman stimulées permettent de mesurer la différence d'énergie entre deux puits, c'est-à-dire la force appliquée sur les atomes. En déplaçant les atomes à différentes distances du miroir de manière contrôlée à l'aide d'un ascenseur de Bloch, il est possible de mesurer les variations des forces de surface avec une résolution spatiale de l'ordre du micromètre. Au voisinage de la surface, une sensibilité sur la mesure de force de 3,4×10^-28 N a été atteinte, à l'état de l'art pour les mesures de force de surface. À des distances de séparation atome-surface inférieure à la centaine de micromètres, des forces électrostatiques dominent, liées aux champs électrostatiques générés par des atomes adsorbés sur la surface. En modélisant ces champs, une autre force est mise en évidence : la force de Casimir-Polder. Ces champs électriques parasites ont pu être mesurés directement avec les atomes piégés, permettant de corriger, quoiqu’imparfaitement, les mesures de l'impact des forces électrostatiques.

Enfin, nous avons montré que l'amplitude et le sens des forces atomes-surface étaient modifiés par l'illumination de la surface par de la lumière UV, qui entraîne la charge la surface.

quantique, interféromètre, atomes froids, Casimir-Polder, atomes piégés

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Cette thèse propose des solutions scientifiques et technologiques innovantes pour la démonstration d’une horloge atomique CPT à cellule micro-fabriquée à la stabilité de fréquence long-terme améliorée.

Un premier axe d’étude a concerné la mise en place de protocoles d’interrogation impulsionnels pour réduire les déplacements de fréquence induits lors de l’interaction entre les atomes et le champ d’interrogation lumineux. La mise en œuvre d’une séquence avancée nommée Symmetric Auto-Balanced Ramsey (SABR) a notamment permis une réduction de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations du champ laser par plus de deux ordres de grandeur, bénéficiant à la stabilité de fréquence pour des temps d’intégration supérieurs à 100 s. Un second axe de recherche a porté sur la preuve de concept et le développement d’une nouvelle technologie de microcellule à vapeur de césium reposant sur l’exploitation de vannes ouvrantes et fermantes micro-fabriquées actionnables par laser, combinées à l’utilisation de substrats de verre à faible perméation, permettant un choix étendu et un contrôle renforcé de son atmosphère interne. Une réduction du taux de perméation par un facteur supérieur à 1000 a été démontrée dans des cellules avec verres alumino-silicatés et revêtements d’alumine. Des études pour le développement de cellules exploitant de nouveaux mélanges de gaz tampon et pouvant ainsi opérer à haute température (> 90 °C) ont été entreprises. Enfin, les résultats complémentaires de ces deux axes de recherche ont été valorisés par la démonstration d’une horloge à microcellule Cs-Ne à verres alumino-silicatés exploitant la séquence d’interrogation SABR.

La combinaison de ces approches, renforcées par la mise en œuvre de contrôles actifs de paramètres expérimentaux clés, a mené à une stabilité relative de fréquence de 7×10⁻¹¹ à 1 s et 1.4×10⁻¹² à 10⁵ s. Ces performances de stabilité journalières sont compétitives avec celles des meilleures horloges micro-ondes à microcellule.

micro-horloges atomiques, cellules microfabriquées, stabilité relative de fréquence, perméation de gaz tampon, déplacement lumineux, spectroscopie Ramsey

Consultez la thèse (FR) : HAL-04474336

Cette thèse présente le développement et la caractérisation d'une référence de fréquence optique à 895 nm fondée sur l'interrogation d'atomes de césium confinés dans une cellule microfabriquée par spectroscopie sub-Doppler bifréquence. Cette référence comprend une diode laser accordée sur la raie D1 du césium (895 nm), un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, une microcellule de césium et une électronique de contrôle.

Deux systèmes laser quasi-identiques ont d’abord été développés, l'un avec une diode laser DFB (Distributed FeedBack), l'autre avec une diode laser à cavité étendue (ECDL). Le battement entre ces deux lasers a démontré une stabilité relative de fréquence de 1,1×10^-12 à 1 s, limitée par le bruit de fréquence de l’ECDL, alors modulé à une fréquence trop faible.

Une référence de fréquence ultra-stable à 895 nm a ensuite été développée pour caractériser sans ambiguïté les performances du laser ECDL. Cette dernière repose sur un laser ECDL annexe, asservi en phase sur un peigne de fréquence spectralement étendu, lui-même référencé sur un laser à 1 542 nm stabilisé sur une cavité Fabry-Perot ultra-stable. Un lien fibré compensé, avec un bruit de phase résiduel de –55 dB‧rad²/Hz à 1 Hz, a été aussi mis en place pour le transfert du signal ultra-stable.

Par battement hétérodyne avec la référence, le laser ECDL à microcellule a démontré une stabilité relative de fréquence au niveau de 2,9×10^-13 à 1 s, en bon accord avec son bruit de phase (+40 dB‧rad²/Hz à f = 1 Hz), et meilleure que 5×10^-14 à 100 s.

En dernier lieu, des travaux préliminaires ont été initiés pour mesurer la sensibilité de la fréquence laser aux variations des paramètres expérimentaux. Parmi les effets évalués, les défauts de superposition entre les faisceaux contra-propageants, la puissance micro-onde et la champ magnétique, semblent constituer des contributions importantes à la stabilité à moyen terme du laser.

référence de fréquence, microcellule à vapeur de césium, spectroscopie sub-Doppler, stabilité de fréquence, laser

Consultez la thèse (FR) : HAL-04412404

Cette thèse porte sur le développement d’un laser ultrastable en fréquence asservi sur l’iode, transportable et intégrant des composants fibrés de télécommunication avec un haut niveau de maturité technologique. Ce système laser est une référence de fréquence ultrastable pour l’assemblage, l’intégration, la validation et les tests de la charge utile de la mission LISA. Il est développé par le laboratoire du SYRTE pour les activités françaises de la mission, activités réalisées par un consortium de partenaires mené par le CNES. Le banc sera compact et transportable pour être rapidement utilisé sur différents sites.

Le système livré par le SYRTE au CNES est composé d’un tandem de lasers Nd:YAG verrouillés en phase, et dont le laser maître est verrouillé en phase sur une référence de fréquence. Cette référence de fréquence est un laser de télécommunication fibré, triplé en fréquence grâce à l’optique non-linaire et asservi sur une vapeur d’iode. Le bruit résiduel de fréquence du dispositif est dans la gamme de 10⁻¹⁴ en dessous de 30 s en terme de variance d’Allan. La partie optique du système occupe un volume de 30 L et sa transportabilité a été démontrée.

laser ultrastable, optique non linéaire, référence de fréquence, laser compact, laser transportable, laser fibré, LISA

Consultez la thèse (FR) : HAL-04511838

L’objet de la thèse est la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms.

Un test de physique fondamentale est réalisé avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an démontrent une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm.

En outre, la thèse traite la mise en œuvre de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. La thèse décrit dans le détail ces deux méthodes, leur mise en œuvre physique ainsi que leur caractérisation. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également proposée.

Cette thèse ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique fondé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.

interférométrie atomique, capteur inertiel, atomes froids, test physique fondamentale

Consultez la thèse (EN) : HAL-04346752

Les capteurs atomiques sont des dispositifs très sensibles utilisés dans les étalons de temps et de fréquence, la détection inertielle et les mesures de précision des champs électromagnétiques. Aujourd'hui, ils sont développés au point d'être limités par leur nature quantique, c'est-à-dire la limite quantique standard (SQL). Cette limite découle du comportement individuel et non corrélé des atomes utilisés. Toutefois, il a été démontré que l'on peut surmonter cette limite en générant des corrélations quantiques et un enchevêtrement entre les atomes.

La preuve de principe de la génération d'intrication peut être accomplie via différents protocoles, mais cela a très rarement été fait dans des dispositifs de qualité métrologique. Dans cette thèse, nous utilisons une plateforme d'électrodynamique quantique en cavité (cQED) pour créer un type d'état corrélé quantique dit état comprimé de spin. Nous utilisons comme plateforme une horloge à atomes piégés sur puce (TACC) pour générer ces états intriqués.

Ce dispositif de qualité métrologique nous permet d'étudier la dynamique due aux interactions de spin sur une longue échelle de temps, de l'ordre de la seconde. La stabilité de l'appareil est confirmée par une déviation fractionnelle de la fréquence d'Allan de 6×10⁻¹³ à 1 s, une performance battant les horloges à atomes compactes disponibles dans le commerce.

métrologie quantique, puce à atomes, intrication, horloge atomique, états comprimés de spin, électrodynamique quantique en cavité

Consultez la thèse (EN) : HAL-04597522

À l’échelle du micromètre, les interactions atome-surface sont dominées par le potentiel de Casimir-Polder. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de l’expérience ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) où la mesure des forces à courte distance (de l’ordre du micromètre) est réalisée à l’aide d’atomes de ⁸⁷Rb refroidis à des températures de l’ordre de quelques centaines de nano-kelvins et piégés dans un réseau optique vertical à proximité d’une surface diélectrique.

Afin d’éviter la contamination de cette surface lors des étapes de refroidissement, les atomes sont préparés 30 cm plus bas. Nous prouvons l’efficacité de notre méthode de transport à l’aide d’oscillations de Bloch, permettant à la fois un contrôle satisfaisant de leur position finale sans échauffement ni élargissement excessif du nuage dans la direction verticale. Une efficacité jusque 30 % des atomes initiaux a été mesurée après le transport, qui s’abaisse à 10 % après recapture dans le réseau vertical.

Une séquence de transitions Raman stimulées permet alors la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau puis leur recombinaison. Cet interféromètre nous permet de remonter à la différence d’énergie entre ces puits, liée aux différents potentiels vus par les atomes. Une première mesure de force a ainsi pu être réalisée jusqu’à une distance de 1 µm de la surface et mettre clairement en évidence l’apparition d’un potentiel attractif. De premières analyses suggèrent toutefois qu’un champ électrique parasite dû à l’adsorption d’atomes de rubidium sur la surface s’additionnent à la contribution due au potentiel de Casimir-Polder attendu.

atome froid, interférométrie atomique, Casimir-Polder

Consultez la thèse (FR) : HAL-04514581