Atom interferometry : Construction, Characterisation and optimisation of an interferoferometer Application to precision measurements
INTERFÉROMÉTRIE ATOMIQUE : Construction, caractérisation et optimisation d'un interféromètre Application aux mesures de précision
Résumé
This manuscript describes my research activity in atom interferometry. As an introduction to this domain, we have first described some atom interferometers and their applications. We then describe the atom interferometer we have developed in Toulouse. This is a Mach-Zehnder atom interferometer; the atom source is a thermal supersonic lithium beam and atom manipulation is based on laser diffraction in the Bragg regime. This two intererometer arms are spatially separated, with a maximum distance near 100 ¹m. The interferometer performances are excellent, with a fringe visibility as large as 84.5 % and a high output flux, thus providing a phase sensitivity of 15 mrad p Hz. We have used this interferometer for several experiments, with a pertubation applied on only one interferometer arm. When the perturbation is an electric field, we thus measure the electric polarisability of lithium, with an uncertainty 3 times smaller than the best previous measurement. When the perturbation is a gas at low density, we measure the complex refraction index of this gas for lithium atomic waves. If the perturbation is a nanograting, we measure the complex amplitude of the diffraction zeroth order and this amplitude is very sensitive to the van der Waals interaction of the lithium atom with the nanograting surface. An important part of this manuscrit concernes further developments of our activity. We discuss several improvements of the measurement of the electric polarizability of lithium atom and we hope to access to a precision comparable to the one of the best ab initio calculations of this quantity. We plan to detect a new topological phase, predicted by theory in 1993 but never observed. Finally, we are starting the construction of a second generation atom interferometer, with a slow and intense lithium beam. This new source will give a larger signal and a longer interaction time, thus enabling the detection of considerably weaker perturbations: a fascinating possibility of this new atom interferometer is the test of the electric neutrality of atoms with a considerably improved sensitivity.
Ce manuscrit décrit les travaux d'interférométrie atomique que j'ai réalisés. Je commence par présenter quelques interféromètres atomiques et leurs applications, afin de situer nos travaux. Puis je décris l'interféromètre atomique que nous avons développé à Toulouse. Il s'agit d'un interféromètre de Mach-Zehnder, utilisant un jet thermique supersonique de lithium et la diffraction atomique par laser dans le régime de Bragg. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés spatialement, avec une distance maximale voisine de 100 ¹. Les excellentes performances, avec une visibilité des franges atomiques atteignant 84.5 % et un signal intense, mènent à une sensibilité en phase de 15 mrad/ p Hz. Nous avons utilisé cet interféromètre pour plusieurs expériences, en appliquant une perturbation sur un seul des deux bras de l'interféromètre. Si la perturbation est un champ électrique, nous mesurons la polarisabilité électrique du lithium, avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure. Si la perturbation est un gaz sous faible pression, nous mesurons l'indice de réfraction complexe de ce gaz pour une onde atomique de lithium. Si la perturbation est un nanoréseau, nous mesurons l'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre zéro et cette amplitude est très sensible à l'interaction de van der Waals entre l'atome de lithium et la surface du réseau. Une partie importante de ce manuscrit concerne les perspectives. Nous discutons des améliorations pour la mesure de la polarisabilité électrique de l'atome de lithium et nous espérons atteindre une précision suffisante pour tester les meilleurs calculs ab initio de cette quantité. Une autre application envisagée concerne une mise en évidence d'une nouvelle phase géométrique, prédite par la théorie en 1993, mais jamais observée jusqu'à présent. Enfin, nous souhaitons développer un interféromètre de deuxième génération, avec un jet de lithium ralenti et très intense. Cette nouvelle source augmentera le signal produit et le temps d'interaction, ce qui devrait permettre de détecter des perturbations beaucoup plus petites: une application particulièrement intéressante de ce nouvel interféromètre atomique est le test de la neutralité électrique des atomes, avec une sensibilité fortement améliorée.