Raman interferometry with free-falling and trapped atoms

Interférométrie Raman avec des atomes en chute libre et piégés

Gunnar Tackmann (1, 2)

1 SYRTE - Systèmes de Référence Temps Espace
2 IQ - Institut für Quantenoptik [Hannover]

Since about twenty years atom interferometers have been studied for measuring inertial forces to high precision with atoms in free fall. The use of cold atoms was key for a reduction of the size of these devices. New methods of cooling and trapping permit to perform interferometry with guided atoms which opens new perspectives for measuring forces with high spatial resolution. This thesis explored both directions by employing atoms in free fall for rotation sensing and guided atoms for testing gravity at close distances.

The CASI gyroscope is based on a double Raman interferometer with counter-propagating atomic trajectories. This work presents studies on the long term stability of the sensor and an improvement in sensitivity to rotations of one order of magnitude compared to the previous status. A sensitivity of 2×10^-8 rad/s after an integration time of 4000 s was achieved using a post-correction technique based on a correlation of the rotation signal to the atomic sample arrival time.

The FORCA-G experiment targets to measure short range forces with high spatial resolution based on Raman interferometers using laser induced tunneling in an optical lattice. Measurements are presented showing a sensitivity to the gravitational acceleration of 2×10^-5 g/√Hz. The resulting sensitivity after 150 s of integration will allow for a measurement of Casimir-Polder forces in 5 µm atom-surface separation with 1 % statistical uncertainty. Finally, the implementation of a coherent atomic transport based on an accelerated lattice for future short range force measurements is reported.

L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance.

Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport a l'état précédent. Une sensibilité de 2×10^-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques.

L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces a faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2×10^-5 g/√Hz sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 µm. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés a été effectuée, qui sera utile pour les mesures futures.

Mots clés: atom interferometry; Raman transition; Sagnac effect; gyroscope; short range forces; optical lattices

Mots clés: interférométrie atomique; transition Raman; effet Sagnac; gyromètre; forces à faible distance; réseaux optiques

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Gunnar Tackmann. Raman interferometry with free-falling and trapped atoms. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI; Leibniz Universität Hannover, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00966091⟩