Atom Interferometry : From Cold Atomic Sources to Atom Lasers

Interférométrie Atomique : des Sources d'Atomes Refroidies aux Lasers à Atomes

Philippe Bouyer (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

This document describes all the scientific work carried out between 1995 and 2004 in the United States then in France. This work is centered around the topic of atom optics and atom interferometry,a field of atomic physics which knew two spectacular major revolutions : the result of sophisticated techniques of cooling of atoms by laser allowing a "collimation" of the atomic beams and the realization in 1995 of the first Bose-Einstein condensate of alkalies, precursor of the atom laser, coherent source with high luminance. All this work required the development of many experimental devices. They on the one hand led to the realization of three atomic inertial sensors of high performance: a collimated atomic beam gyrometer, a gradiometer with cold atoms, an inertial base with laser cooled atoms. In addition, they made it possible to develop two coherent atomic sources of a new model on which a great number of results on the major nature of the Bose-Einstein condensates could be obtained. This manuscript is organized in 5 chapters making it possible to gradually approach the problems of the atomic inertial sensors (primarily with non-coherent atomic sources), the fundamental properties of BEC, atom laser production, coherence properties of degenerate atomic sources and finally the prospects of using atom lasers in atom interferometry.

Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.

Mots clés: Atom Interferometry; Insertial Sensor; Bose-Einstein Condensate; Atom Laser

Mots clés: Cohérence; Interférométrie atomique; senseur inertiel; condensat de Bose-Einstein; Laser à atomes; Cohérence.

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Philippe Bouyer. Interférométrie Atomique : des Sources d'Atomes Refroidies aux Lasers à Atomes. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2005. ⟨tel-00010465v2⟩