Atom interferometry precision measurements. Van der Waals interaction and geometric He-McKellar-Wilkens phase.
Mesures de précision par interférométrie atomique. Interaction de Van der Waals et phase géométrique de He-McKellar-Wilkens
Résumé
This experimental thesis uses a lithium atom interferometer. Three laser standing waves, almost resonant with the first resonance transition of lithium at 671 nm, diffract the atom wave in the Bragg regime and act as beam splitters and mirrors in the geometrical Mach-Zehnder configuration. The two arms of the interferometer are separated in space, and its performances enable precision interferometry measurements. This thesis presents the results of two experiments performed between 2007 and 2011. The first experiment measured the interaction between lithium atom and the surface of the bars of a nanometer-scale grating (100 nm period), when the grating intercepts one interferometer arm. The complex diffraction amplitude in the 0th order was measured for atom velocities ranging from 750 to 3300 m/s. These measurements enabled the characterization of the Van der Waals atom-surface interaction. The second experiment performed the first detection of an effect predicted by He, McKellar and Wilkens in 1993-1994 for an electric dipole interacting with a magnetic field. It is a geometric phase similar to the Aharonov-Bohm effect predicted in 1959. The predicted phase shift is of the order of 10 mrad, as are numerous stray phase shifts which have been carefully characterized. The resulting measurement exhibited a good agreement with theoretical predictions.
Cette thèse expérimentale utilise un interféromètre atomique fonctionnant avec l'atome de lithium. Trois ondes laser stationnaires quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium à 671 nm diffractent l'onde atomique dans le régime de Bragg et réalisent des séparatrices et des miroirs dans la configuration géométrique de Mach-Zehnder. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés dans l'espace et ses performances permettent de réaliser des mesures interférométriques de précision. Cette thèse présente les résultats de deux expériences réalisées entre 2007 et 2011. La première expérience a mesuré l'interaction entre l'atome de lithium et la surface des barres d'un réseau de dimensions nanométriques (pas de 100 nm) lorsque celui-ci intercepte un des deux bras. L'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre 0 a été mesurée pour une large gamme de vitesses atomiques s'étendant de 750 à 3300 m/s. Les résultats ont permis de caractériser l'interaction atome-surface de Van der Waals. La deuxième expérience a réalisé la première détection de l'effet prédit par He, McKellar et Wilkens en 1993-1994 pour un dipôle électrique en interaction avec un champ magnétique. C'est une phase géométrique similaire à l'effet prédit par Aharonov et Bohm en 1959. Le déphasage prévu est de l'ordre de 10 mrad, ce qui est comparable à de nombreux effets parasites qu'il a fallu caractériser avec soin. Les mesures sont en bon accord avec les prédictions théoriques.