The effective control of atomic coherence with cold atoms has made atom interferometry an essential tool for quantum sensors and precision measurements. The performance of these interferometers is closely related to the operation of large wave packet separations. We present here a novel approach for atomic beam splitters based on the stroboscopic stabilization of quantum states in an accelerated optical lattice. The corresponding Floquet state is generated by optimal control protocols. In this way, we demonstrate an unprecedented Large Momentum Transfer (LMT) interferometer, with a momentum separation of 600 photon recoils ($600\hbar k$) between its two arms. Each LMT beam splitter is realized in a remarkably short time (2 ms) and is highly robust against the initial velocity dispersion of the wave packet and lattice depth fluctuations. Our study shows that Floquet engineering is a promising tool for exploring new frontiers in quantum physics at large scales, with applications in quantum sensing and testing fundamental physics.

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Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.

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Am 27. Juni starb Christoph (Chris) Meier, international anerkannter Spezialist für die Quantendynamik komplexer molekularer Systeme.

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