Experiments in atom interferometry : measurement of the He-McKellar-Wilkens and Aharonov-Casher geometrical phases
Expériences en interférométrie atomique: application à la mesure des phases géométriques He-McKellar-Wilkens et Aharonov-Casher
Résumé
The family of topological phases of electromagnetic origin consists of the Aharonov-Bohm (AB) phase predicted in 1959 and of the Aharonov-Casher (AC) and He-McKellar-Wilkens (HMW) phases predicted respectively in 1984 and 1993-1994. The AB phase and the AC phase have been quickly detected by experiments while the HMW phase was detected in 2011 by our team during the thesis of S. Lepoutre. The AC phase appears when a magnetic dipole interacts with an electric field perpendicular to the velocity and the dipole. The HMW phase, connected to the AC phase by the Maxwell duality, appears when an electric dipole interacts with a magnetic field perpendicular to its speed and to the dipole. This thesis presents the measurements of these two phases with an atomic Mach-Zehnder interferometer operating with the lithium atom 7Li and using Bragg diffraction by standing waves. I first describe the optical pumping of the atomic beam of lithium in a single Zeeman sublevel-hyperfine F = 2,mF = 2 (or −2) and its efficiency is close to 95 ± 5 %. This pumping has made undetectable the systematic effects that had complicated the first detection of the HMW phase. I then present the measurements of the AC and HMW phases which are small, about several dozens of milliradians respectively in our experience, with an uncertainty lower than 10%. By varying the average velocity of the atoms between 750m/s and 1500 m/s, we have checked that these two phases are independent of the velocity which proves their topological character.
La famille des phases géométriques d'origine électromagnétique est formée de la phase Aharonov-Bohm (AB) prédite en 1959 et des phases Aharonov-Casher (AC) et He-McKellar-Wilkens (HMW) prédites en 1984 et 1993-1994 respectivement. Si la phase AB et la phase AC ont été rapidement observées expérimentalement, la phase HMW n'a été détectée qu'en 2011 par notre équipe au cours de la thèse de S. Lepoutre. La phase AC apparaît quand un dipôle magnétique interagit avec un champ électrique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle et la phase HMW, reliée à la phase AC par la dualité de Maxwell, apparaît quand un dipôle électrique interagit avec un champ magnétique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle. Cette thèse présente la mesure de ces deux phases à l'aide d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder fonctionnant avec l'atome de lithium 7Li et utilisant la diffraction de Bragg par des ondes stationnaires laser. Dans ce manuscrit, je commence par présenter l'interféromètre atomique puis je décris le pompage optique du jet atomique de lithium dans un seul sous-niveau Zeeman-hyperfin F = 2,MF = +2 (ou −2) et la caractérisation de son efficacité qui est voisine de 95 ± 5%. Ce pompage a rendu indétectables les effets systématiques qui avaient compliqué la première détection de la phase HMW. Je présente ensuite les mesures des phases AC et HMW qui sont petites, de l'ordre de quelques dizaines de milliradians dans les conditions de cette expérience, avec une incertitude inférieure 10%. En variant la vitesse moyenne des atomes entre 750 m/s et 1500 m/s, nous avons observé que ces deux phases sont bien indépendantes de la vitesse ce qui prouve leur caractère géométrique.
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