▼ Light pulse atom interferometers have demonstrated remarkable sensitivity and stability for acceleration and rotation rate measurement. However, typical manifestations are designed for laboratory environments and thus rely on a fixed magnitude and direction of gravity, and limited ambient rotation rate. We have enhanced the application space of atom interferometers towards more dynamic environments, with special attention for inertial navigation. I present our work in the domain of short time-of-flight atom interferometry, whereby the magnitude of ensemble excursion is constrained. The limited interrogation time results in a significant loss of sensitivity. We recover a fraction of the lost sensitivity by operating with an enhanced duty-cycle and data-rate. To demonstrate this concept, we construct an atom interferometer accelerometer capable of operating at data-rates as high as 300 Hz with sensitivities at μg/rtHz levels, which represents a competitive figure for inertial navigation application. For the bulk of this work, we demonstrate a dual-axis sensor capable of simultaneous acceleration and rotation-rate measurements. The sensor relies on a technique we refer to as "ensemble exchange" which provides a high flux source of ultracold atoms by swapping atomic ensembles between two MOTs. We achieve a steady-state atom number of 7e6 atoms/shot using a minimal loading time of a few milliseconds each shot. Furthermore, we find this technique to be robust under dynamic conditions as large as 10 g of acceleration and 20 rad/s of rotation rate, representing a significant enhancement in ultra-cold atom sample preparation. The sensor achieves μg/rtHz and μrad/s/rtHz sensitivities, making this technique a compelling prospect for inertial navigation applications. Through the use of auxiliary cosensors and a real-time combinatorial loop with feedforward and feedback mechanisms, we demonstrate an unprecedented enhancement of the sensor dynamic range up to 20 mg. Finally, I will discuss a novel manifestation of short time-of-flight atom interferometry in a warm atomic vapor, which avoids the complication of cold sample preparation and has the potential for significantly simplified laser systems. Advisors/Committee Members: Biedermann, Grant, Caves, Carlton, Deutsch, Ivan, Schwindt, Peter.

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L'interférométrie atomique a démontré sa capacité à effectuer des mesures de grande précision, notamment pour la réalisation de capteurs inertiels, les tests de physique fondamentale ou la mesure de constantes fondamentales. Une piste pour l'amélioration de la sensibilité des interféromètres atomiques est la réduction de la dispersion en vitesse de la source en utilisant un ensemble d'atomes ultra-froids pour augmenter le temps d'interrogation des atomes et accroitre la séparation spatiale entre les bras de l'interféromètre. Un nouvel interféromètre atomique à bras séparés est en construction au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité de Toulouse. Ce dispositif répond à deux objectifs. Premièrement sa conception a pour but l'étude et le développement de nouveaux types de sources de condensat de Bose-Einstein (C.B.E.) double espèce de rubidium 85 et 87 adaptées à l'interférométrie. Cette source de C.B.E. repose sur l'utilisation de puces pour la manipulation et le refroidissement des atomes. Cette technologie est compacte et consomment peu d'énergie, ce qui est adaptée aux applications spatiales. L'autre objectif est d'utiliser cet interféromètre pour tester la neutralité de la matière via l'effet Aharonov-Bohm scalaire. Dans ce manuscrit je commence par exposer et justifer les choix techniques fait lors du dimensionnement et de la construction de la source de C.B.E. double isotopes. Par la suite, je présente les premiers résultats expérimentaux accompagnés de simulations numériques et d'explications théoriques. Lors de la première étape de refroidissement laser nous produisons un nuage de rubidium 87 et 85 contenant 4 × 10¹⁰ atomes à une température de 10 µK avec un taux de cycle de 1 s. A la suite du refroidissement laser 8 × 10⁹ atomes sont chargés dans le piège magnétique millimétrique de surface. Différentes expériences de caractérisation sont réalisées et expliquées à la lumières de simulations numériques. L'étude des fréquences de piégeage et de la profondeur a révélé les limites du premier prototype de piège millimétrique que nous avons réalisé au laboratoire. Cependant ces développements expérimentaux et théoriques servent à développer et implémenter dans le dispositif une nouvelle génération de puce à échelle micrométrique.

Atom interferometry has shown its interest for high precision measurements, such as inertial sensors, tests of fundamental physics or fundamental constant measurements. A way to improve sensitivity of such device is to reduce speed dispersion of the atomic cloud. The use of ultra-cold atoms allows increasing the interogation time of atoms and the spatial separation between the interferometer arms. The building of a new atom interferometer with separated arms is ongoing in the laboratory "Collisions Agrégats et Réactivité" at Toulouse. This new setup must meet two objectives. One aim of its conception is to study and develop a new kind of double species Bose-Einstein condensate (B.E.C.) source for atom interferometry with rubidium 87 and 85. This B.E.C. source relies on atom…

Advisors/Committee Members: Guéry-Odelin, David (thesis director), Gauguet, Alexandre (thesis director).

▼ This dissertation covers a series of atom interferometry experiments with a focus on applying the Bloch-band model to atom optics and performing vertical interferometry with a magnetically neutral atom. This approach lets us analyze the diffraction processes from a pulsed optical lattice in terms of the Bloch solutions for the atom in the periodic lattice Hamiltonian. Using a ytterbium (174Yb) Bose-Einstein condesate as the matter-wave source, measurements of Rabi frequencies, as well as those of diffraction phase and amplitude, demonstrate the validity of the Bloch-band approach over a regime which is typically satisfied within an atom interferometer. Applications for this model are discussed, including the use of an interferometric phase measurement to determine an unknown band structure. Additionally, a unique feature of the excited Bloch-bands—the magic depth—is exploited to improve the phase stability of atom interferometers which use Bloch oscillations for large momentum transfer. We also demonstrate the technique of delta-kick cooling as a fruitful method for reduction of the BEC’s vertical velocity distribution, allowing for more efficient momentum transfer with a vertical optical lattice. This is a crucial tool for non-magnetic atoms such as 174Yb, which we use to perform vertical interferometry in our system with both a contrast interferometer geometry and a double Mach-Zehnder interferometer. Lastly, the effect of Landau-Zener-St¨uckelberg interference during Bloch oscillations is studied in its relation to momentum transfer efficiency for precision interferometry. Advisors/Committee Members: Gupta, Subhadeep (advisor).

▼ An atom interferometer offers means to measure physical constants and physical quantities with a high precision, with relatively low cost and convenience as a table-top experiment. A precision measurement of a gravitational acceleration can test fundamental physics concepts such as Einstein equivalence principle (EEP). We identified that the two lithium isotopes ({}⁷Li and {}⁶Li) have an advantage for the test of EEP, according to the standard model extension (SME). We aim to build the world's first lithium atom interferometer and test the Einstein equivalence principle.\\We demonstrate a new laser cooling method suitable for a lithium atom interferometer. Although lithium is often used in ultra-cold atom experiments for its interesting physical properties and measurement feasibility, it is more difficult to laser cool lithium than other alkali atoms due to its unresolved hyperfine states, light mass (large recoil velocity) and high temperature from the oven. Typically, standard laser cooling techniques such as Zeeman slowers and magneto-optical traps are used to cool lithium atoms to about 1 mK, and the evaporative cooling method is used to cool lithium atoms to a few μK for Bose-Einstein condensate (BEC) experiments. However, for the atom interferometry purpose, the evaporative cooling method is not ideal for several reasons: First, its cooling efficiency is so low (0.01 % or less) that typically only 10^4-105 atoms are left after cooling when one begins with 10⁹ atoms. More atoms in an atom interferometer are needed to have a better signal to noise ratio. Second, an evaporative cooling is used to make a BEC, but we do not need a BEC to make an atom interferometer. In an atom interferometer, a high density of atoms as in a BEC should be avoided since it causes a phase shift due to atom interactions. Third, a setup for an evaporative cooling requires intricate RF generating coils or a high power laser. \\With a simple optical lattice and a moderate laser power (100 mW), we achieved a sub-Doppler cooling of lithium by a new laser cooling method despite the fact that lithium has un-resolved hyperfine structure. We identified that the Sisyphus cooling and the adiabatic cooling mechanisms cooperate and give both lower temperature and higher cooling efficiency than the result that can be achieved by each alone. We cooled {}⁷Li atoms to ∼ ;50;μK (about 8 times the recoil temperature) in a one dimensional lattice with cooling efficiency of 50%. In three dimensions the cooling temperature was limited to 90\,μK due to instability of our 3D lattice, however the same principle applies and potentially a lower temperature can be achieved in 3D as well.

▼ The interaction of extreme ultraviolet light with matter can lead to the emission of an electron in a process known as photoionization. The electron wavepacket (EWP) created in the continuum propagates on the ionic potential, resulting in a delay compared to an EWP propagating freely. The development of extreme ultraviolet attosecond light sources in recent years has opened the possibility to probe photoionization on the attosecond time scale (10^-18~s).In this thesis, atomic photoionization is investigated in both resonant and non-resonant conditions via the attosecond photoelectron interferometric technique RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon transitions). Atoms are photoionized by an attosecond pulse train (APT), creating an EWP in the continuum. The EWP is then made to interfere with itself using a weak delayed infrared (IR) probe pulse. Recording the photoelectron signal as a function of the delay between the IR and the APT allows us to characterize the EWP in the spectral domain.In this thesis we investigate experimentally and theoretically photoionization dynamics in various atoms (He, Ne, Ar and Xe) as well as in the N₂ molecule. These studies focus on understanding how the presence of multiple ionization channels affects the ionization dynamics. On the one hand, we study the situation in which different ionization channels are excited incoherently resulting in overlapping photoelectron peaks in the spectrum. In this case, we show that the RABBIT technique allows us to measure photoionization time delays with a few tens of attosecond resolution while maintaining the high spectral resolution needed to disentangle contributions from different ionization channels. On the other hand, we investigate the case where several ionization channels are excited coherently leading to interference between different quantum paths. Using the RABBIT technique, we study the interference between direct photoionization and autoionization in the vicinity of Fano resonances. Measuring the amplitude and phase of photoelectrons emitted via these resonances, we characterize the EWPs in time-frequency domain. By pushing the spectral resolution of our measurements we are able to observe signatures of quantum decoherence and to quantify it. In addition, using angle-resolved measurements, we investigate the effect of the coherent superposition of final states with different angular momenta. We show that it results in angular interference which lead to an angle-dependence of the photoionization time delays and to a modification of the photoelectron angular distribution with pump-probe delay.

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Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état |2,2〉. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état |2,1〉. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre.

In this manuscript we report the theoretical and experimental developments, in progress at TRT, aiming at the realisation of a cold atom accelerometer. This accelerometer uses an ultra-cold non-degenerated gas which is trapped in the vicinity of an atom chip during the whole interrogation sequence. We describe an interrogation protocol allowing the sensor to be sensitive to acceleration. This protocol uses a Ramsey sequence with a spatial separation of the two interferometer states. The signal and the contrast of this interferometer are derived and the use of shortcut to adiabadicity is considered to enable fast splitting and merging of the two states. We also describe a design of the accelerometer on an atom chip. This design use two dressed microwave potentials, one for each of the two interferometer states. We described the atom cooling experiment built during this thesis. Atoms of rubidium 87 have been cooled to Bose-Einstein condensation in state |2,2〉. A stimulated Raman adiabatic passage protocol using microwave fields, allows to transfer an atomic cloud (condensed or thermal) to the state |2,1〉. With this atomic source the contrast of the Ramsey fringes as a function of the symmetry between the interferometer traps have been measured. The measured contrast falling time is in good agreement with the theoretical prediction for the interferometer contrast.

Advisors/Committee Members: Westbrook, Chris (thesis director).

▼ This Dissertation describes how I used a three nanograting Mach-Zehnder atom beam interferometer to precisely measure a wavelength of light, known as a tune-out wavelength, that causes zero energy shift for an atom. I also describe how such measurements can be remarkably sensitive to rotation rates. It is well known that atom interferometry can be used to measure accelerations and rotations, but it was a surprise to find out that tune-out wavelength measurements can under certain conditions be used to report the absolute rotation rate of the laboratory with respect to an inertial frame of reference. I also describe how we created conditions which improve the accuracy of tune out wavelength measurements. These measurements are important because they serve as a benchmark test for atomic structure calculations of line strengths, oscillator strengths, and dipole matrix elements. I present a new measurement of the longest tune-out wavelength in potassium, λzero = 768.9701(4) nm. To reach sub-picometer precision, an optical cavity surrounding the atom beam paths of the interferometer was used. Although this improved the precision of our experiment by increasing the light-induced phase shifts, the cavity also brought several systematic errors to our attentions. For example, I found that large ±200 pm shifts in tune-out wavelengths can occur due to the Earth's rotation rate. To solve this problem, I demonstrated that controlling the optical polarization, the magnetic field, and the atom beam velocity distribution can either suppress or enhance these systematic shifts. Suppressing these systemic shifts in tune-out wavelengths is useful for precision measurements used to test atomic structure calculations. By enhancing these systematic shifts, the interferometer can be a gyroscope that utilizes tune-out wavelengths. Advisors/Committee Members: Cronin, Alexander D (advisor), Cronin, Alexander D. (committeemember), Anderson, Brian P. (committeemember), Sandhu, Arvinder (committeemember).

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Des tests fondamentaux de la mécanique quantique tels que l'effet Hong-Ou-Mandel et la violation des inégalités de Bell ont été mis en évidence avec des photons dans les années 80. La violation des inégalités de Bell a d'abord été vérifiée avec des photons corrélés en spin, puis dans les années 90 avec des photons corrélés en impulsion via l'expérience de Rarity et Tapster. Notre équipe tente de transposer ces expériences d'optique au domaine des atomes froids. Cette thèse présente la mise en place du dispositif et la caractérisation du processus de création de paires d'atomes en vue d'un test de violation des inégalités de Bell avec des atomes corrélés en vitesse.

Fundamental tests of quantum mechanics such as Hong-Ou-Mandel effect and Bell inequality violation has been experimentally demonstrated with photons in the 80s. Violation of Bell inequality was first verified wit spin correlated photons and then with momentum correlated photons in the 90s through the Rarity-Tapster experiment. In our team, we want to demonstrated those effects with cold atoms. This PhD thesis present the experimental setup and the characterization of the atomic creation process of momentum correlated atoms for a test of violation of Bell inequality.

Advisors/Committee Members: Westbrook, Chris (thesis director).

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Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration.

During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast…

Advisors/Committee Members: Bouyer, Philippe (thesis director).

▼ A precision inertial sensor based on the interference of matter waves has been designed and implemented. The apparatus is capable of producing both cold thermal and ultracold Bose-Einstein condensate (BEC) atomic ensembles as the inertial test mass. BECs of up to 5x10⁶ Rubidium 87 atoms with an effective temperature of 50nK are produced every 13 seconds using a combination of two and three dimensional magneto-optical traps (2D and 3D MOT) and evaporative cooling in a hybrid magnetic-quadrupole and crossed optical dipole trap. The atomic cloud is then propagated through a vertically oriented Mach-Zehnder interferometer utilizing Bragg diffraction beam splitters. An 2.6m drop tube allows for up to 750ms of free fall and interferometer times of up to 250ms. The drop has four regions of imaging corresponding to 0, 25, 220, 530, and 750ms of expansion. Standard absorption imaging is used for the upper two imaging regions and frequency modulation imaging (FMI) is used for the lower regions. FMI exhibits near atom-shot noise limited signal-to-noise of 948 on a 1x10⁶ atom cloud. The inertial reference is provided by the Bragg beam retro-reflector which is suspended via a geometric anti-spring passive vibration isolation system providing 65 dB of isolation at 70 Hz. Prior to the first interferometer pulse the ensemble is placed into a spin superposition of the |F=1> ground state manifold using horizontal co-propagating Raman beams. The three internal spin states remain orthogonal throughout the interferometer sequence resulting in three simultaneous interferometer with separable magnetic gradient and gravitational acceleration signals. The effects of meanfield energy on the interferometric phase uncertainty is explored under current trap conditions. It is found that 30 ms of free expansion prior to the first beam splitter decreases the internal energy such that the expected meanfield phase noise is below 1mrad. No significant decrease in the interferometer contrast is observed for all available T, whereas a thermal test mass interferometer of equivalent longitudinal temperature produces no interference at interferometer times > 100ms. A direct comparison of test mass spatial coherence length in an optically transversely confined interferometer is investigated. The visibility and contrast of a BEC and three thermal sources with varying spatial coherence are compared as a function of interferometer time. At short times, the fringe visibility of a BEC source approaches 100%, nearly independent of p pulse efficiency, while thermal sources have fringe visibilities limited to the p pulse efficiency. More importantly for precision measurement systems, the BEC source maintains interference at interferometer times significantly beyond that of the thermal source. A BEC test mass is…

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Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner.

After few decades of development, atom interferometry has become an extremely efficient tool for measuring inertial effects such as accelerations and rotations. Such techniques are now envisioned for a future generation of gravitational wave detectors to push further the limit of the current optical detectors. The Matter-Wave Laser Interferometer Gravitation Antenna (MIGA) instrument will couple atom and optical interferometry to study perturbations of the gravitational field at low-frequencies (Hz and sub-Hz). It will consist of an array of 3 atom interferometers, simultaneously interrogated by the light field resonating inside two 150 m long optical cavities, using a set of high order Bragg pulses π/2 - π - π/2. Gradiometric measurements allows a strong immunity to seismic and newtonian noises which limit optical ground-based detectors such as LIGO and Virgo. A preliminary experiment is being developed at the LP2N laboratory, in Talence (France), where a single atomic cloud is interrogated inside two 80 cm long cavities. In order to interrogate efficiently the 87Rb atoms, a gaussian beam with a radius of several mm resonating inside these cavities is required. This can be achieved by using a marginally stable cavity geometry, composed by two plane mirrors located in the focal planes of a biconvex lens.

Advisors/Committee Members: Bouyer, Philippe (thesis director).

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Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.

Inertials sensors based on atom interferometry use cold atom clouds cooled to micro-Kelvin temperatures and interrogation times of a few hundred of milliseconds.These conditions lead to an expansion of the atom clouds reaching centimetric sizes, which leads to difficulties when trying to adress them efficiently with gaussian laser beams.This work aims at developing different means to counteract the constraints brought by these gaussian beams and their limited intensity.Two main axes are explored.On the one hand, the intensity inhomogeneity of the interrogation beams has been adressed by the study, realisation and characterization of beamshaping solutions.One of these solutions has been adapted to an atom interferometry experiment, and its impact characterized.On the other hand, the current use of gaussian beams with centimetric sizes to interrogate as many atoms as possible brings constraints on the laser power.The idea of taking advantage of the optical gain of optical resonators rises in the field and constitutes the heart of this work.Different optical resonators concepts have been considered to allow the resonance of a…

Advisors/Committee Members: Landragin, Arnaud (thesis director).

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Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid.

The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser).

Advisors/Committee Members: Pereira Dos Santos, Franck (thesis director).

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Ce mémoire présente le développement d'un dispositif expérimental permettant de mesurer deux composantes du gradient de pesanteur, Γzz et Γzx, ainsi que l'accélération de pesanteur. Ces grandeurs sont déterminées en mesurant l'accélération d'atomes froids de rubidium, en chute libre dans le vide, par interférométrie atomique. Pour la gradiométrie, la mesure différentielle est réalisée entre deux nuages atomiques spatialement distants. Pour la mesure de Γzz, l'utilisation de réseaux optiques mobiles permet d'obtenir deux nuages atomiques à partir d'une unique source atomique. Ce travail présente la mise en place du dispositif complet, avec notamment la réalisation de l'enceinte à vide, et des systèmes laser et micro-onde. Les lasers sont basés sur la technologie télécom doublée, permettant d'obtenir des modules compacts et robustes, afin d'envisager des applications embarquées. L'architecture laser originale permet de réaliser des expériences d'atomes froids combinant interférométrie atomique et réseaux optiques, en réduisant au minimum le nombre de composants. Le bruit du laser a été caractérisé, et il limite la sensibilité gravimétrique à 10-9 g en monocoup, la sensibilité différentielle à 10-10 g en monocoup, et la sensibilité gradiométrique à 38 E, en monocoup.

This thesis presents the development of the experimental setup allowing the measurement of two gravity gradient components, Γzz and Γzx, and the gravity acceleration. These quantities are resulted from the measuring of rubidium cold atoms acceleration, in free fall in vacuum, by atom interferometry. For gradiometry, the differential measurement is realized between two atomic clouds spatially separated. For the measurement of Γzz, the use of mobile optical lattices allows to get two atom clouds from a single atomic source. This work presents the setting up of the complete device, in particular with the built of the vaccum chamber, laser and micro-wave systems. Lasers are based on frequency-doubled telecom technology, which allows to obtain compact and robust systems, dedicated for onboard applications. The innovative laser architecture allows to combine atom interferometry and optical lattices, while minimizing the amount of components. The laser noise has been characterized, and limits the single shot gravimetric sensitivity to 10-9 g, the single shot differential sensitivity to 10-10 g, and the single shot gradiometric sensitivity to 38 E.

Advisors/Committee Members: Nez, François (thesis director).

▼ Atom-surface interactions are becoming an integral part of the field of atom optics. Here the role of van der Waals atom-surface interactions in atom wave diffraction and interferometry are investigated. In particular, it is shown that van der Waals interactions influence the intensity and phase of atomic diffraction patterns obtained from material gratings. As a result the atomic diffraction patterns are utilized to make an accurate determination of the interaction strength and verify the spatial variation of the atom-surface potential. A theory for describing the modified atom wave diffraction patterns is developed through an analogy with optical waves. An atom interferometer is used to directly measure the de Broglie wave phase shift induced by atom-surface interactions. More specifically, the phases of the zeroth, first, and second diffraction orders are measured. A proposal for using electromagnetic fields to modify the van der Waals interaction is put forth. Several of the important experimental components for observing such an effect are also demonstrated. Advisors/Committee Members: Cronin, Alexander D (advisor), Jessen, Poul S. (committeemember), Anderson, Brian P. (committeemember).

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Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.

This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate…

Advisors/Committee Members: Landragin, Arnaud (thesis director).

▼ This thesis details the experimental investigation of a new type of atom interferometer using rubidium-85 atoms in the unexplored near-resonant domain. A cold cloud of atoms, all prepared in the same hyperfine ground state, are subjected to temporally periodic pulses of near-resonant standing waves of light. The standing wave pulses are made to act like an absorption grating where only atoms located around the low intensity region about the nodes remain in the initial ground state, the rest are pumped into a dark hyperfine ground state. The output of the atom interferometer is a measure of the fraction of atoms remaining in the initial ground state after N standing wave pulses for different times between the pulses. An increased survival rate is observed for certain times between pulses due to the occurrence of a coherence echo and the matter wave Talbot effect. This feature allows us to use our atom interferometer to make measurements of the Talbot time which is an important parameter in determinations of the fine structure constant alpha. We provide a theoretical model to describe the relevant physics behind our atom interferometer that compares well with our empirical results. Design and implementation of the apparatus are discussed along with characterisation of parameters such as pulse duration, pulse number, and frequency. Finally we include a demonstration of how, in principle, our atom interferometer could be used to make precision measurements of the Talbot time along with some of the necessary steps to bring it in line with current leading measurements. Advisors/Committee Members: Andersen, Mikkel (advisor).

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En septembre 2015, le détecteur LIGO a permis la première observation directe d'ondes gravitationnelles. Ce détecteur terrestre, tout comme le détecteur européen VIRGO, est basé sur des technologies purement optiques. Ces instruments sont extrêmement sensibles autour de 100 Hz mais ils sont limités en dessous de quelques dizaines de Hertz par différentes sources de bruit (bruit sismique, bruit newtonien...) qui ne sont pas distinguables de l'effet du passage d'une onde gravitationnelle.Le principe du projet MIGA (Matter wave – laser based Interferometer Gravitation Antenna) est de coupler un interféromètre optique avec plusieurs interféromètres atomiques séparés spatialement afin d'être sensible aux ondes gravitationnelles à plus basse fréquence (typiquement autour d'un Hertz). Les atomes froids sont lancés en configuration fontaine et sont séparés, réfléchis et recombinés par des impulsions laser effectuées dans une cavité optique de 300 m de long. Ces impulsions bénéficieront du gain optique intrinsèque au résonateur, leur permettant d'atteindre la puissance nécessaire à la réalisation de transitions de Bragg d'ordre élevé, augmentant ainsi la sensibilité des interféromètres atomiques. Chaque interféromètre mesure le champ gravitationnel local et les vibrations des miroirs. Le bruit sismique est donc rejeté dans le cas de mesures différentielles et en reconstruisant spatialement le champ gravitationnel, on pourra différencier le signal dû aux ondes gravitationnelles, qui est un pur gradient à l'échelle de l'instrument, du bruit newtonien qui a une signature spatiale.Les cavités de 300 m seront installées au LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) à Rustrel, où l'antenne MIGA pourra bénéficier d'un environnement remarquablement calme. Cet instrument permettra de cartographier le champ gravitationnel du site, ce qui sera d'un grand intérêt pour l'étude géologique du massif karstique.Dans le cadre de ce projet, nous réalisons au LP2N une expérience préliminaire dont l'objectif est de générer un interféromètre de 87Rb en cavités en configuration de fontaine atomique. Cet instrument utilise une nouvelle architecture de résonateurs optiques demi-dégénérés afin de manipuler les atomes de façon cohérente avec des impulsions de Bragg.

In September 2015, the LIGO detector realized the first direct observation of gravitational waves. This ground-based detector, as well as the European detector VIRGO, is based on purely optical technologies. These instruments are extremely sensitive around 100 Hz but they are limited below few tens of Hertz by several sources of cavity length noise (seismic noise, Newtonian noise...) that mimic the effect of a gravitational wave.The idea of the MIGA (Matter wave-laser based Interferometer Gravitation Antenna) is to couple an optical interferometer with several atom interferometers spatially separated to be sensitive to gravitational waves at lower frequencies (typically around 1 Hz). The cold atoms are launched in a fountain configuration and are then split, deflected and recombined by…

Advisors/Committee Members: Bouyer, Philippe (thesis director).

▼ Since the first demonstrations in 1991, atom interferometry has been a burgeoning field of research. The work done in this field is motivated by the potential sensitivity improvements that atom-based devices can have over the current state-of-the-art light- and MEMS-based devices. This dissertation presents a new and unique approach to atom interferometry in that we perform the basic interferometric sequence of splitting, propagation, reflection, reverse-propagation, and recombination with atoms trapped in a phase-modulated (shaken) optical lattice. In both simulation and experiment we demonstrate a one-dimensional shaken lattice interferometer configured as an accelerometer. The interferometry sequence is developed through the use of learning and optimal control algorithms that allow us to implement the desired state-to-state transformations and perform the desired operations, e.g. splitting and recombination of the atoms trapped in the lattice. This device has a sensitivity that scales as the square of the interrogation time and an ability to distinguish both the magnitude and sign of an applied acceleration signal. Furthermore we show that we can tailor the transfer function of the interferometer to be sensitive to a signal of interest, e.g. an AC signal of a given frequency. Finally, we explore the analytics of shaken lattice interferometry and offer some suggestions as to the future of this new technology. Advisors/Committee Members: Dana Z. Anderson, James K. Thompson, Murray Holland, John E. Kitching, Kelvin Wagner.

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Ces travaux de thèse s'inscrivent à la frontière entre l'utilisation de l'interférométrie atomique pour tester un principe fondamental de physique, le principe d'équivalence faible, et le transfert des technologies développées dans ce but vers des applications industrielles, en particulier la navigation inertielle, à travers une collaboration avec l'entreprise iXBlue au sein d'un laboratoire commun (iXAtom) où nous avons travaillé à l'hybridation d'une centrale inertielle avec un accéléromètre atomique afin de corriger la dérive temporelle de la centrale.Afin de tester le prince d'équivalence faible, nous utilisons un interféromètre atomique double espèce (87Rb et 39K). Cette expérience est réalisée en laboratoire mais également en micropesanteur à bord de l'avion ZERO-G de Novespace. Cette particularité pose des contraintes sur les choix technologiques puisque le montage doit être robuste, compact et transportable. Notre système laser en est un bon exemple puisqu'il est basé des technologies télécom (1560 et 1534 nm) doublées en fréquence. Nous avons réalisé le premier test du principe d'équivalence en micropesanteur avec des atomes froids en 2015, ce qui représente une étape majeure vers la réalisation d'un instrument embarquable à bord d'un satellite.Le 39K est une espèce difficile à refroidir et à manipuler à cause de sa structure hyperfine étroite. Nous avons mis en place un refroidissement par mélasse grise pour cette espèce en ajoutant un laser résonnant avec la transition D1 du potassium. Nous avons également mis en place une préparation des atomes dans l'état non magnétique mF=0 efficace à 95%. Ces techniques ont amélioré le contraste de nos franges d'interférences d'un facteur 4 et nous a permis d'obtenir une sensibilité sur le paramètre d’Eötvös en laboratoire de 5.2x10-8 après 11500 s d'intégration.

This thesis is at the boundary of the fundamental physics with the test of the weak equivalence principle (WEP) and the transfer of the technologies developed to industrial applications such inertial navigation. We began collaboration in a joint laboratory (iXAtom) with the iXBlue company where we worked on the hybridization of an inertial unit with a cold atom accelerometer.In order to test the WEP, we use a dual-species atom interferometer (87Rb and 39K). This experiment works in the laboratory but it is designed to perform onboard the Novespace ZERO-G plane. This specificity puts constraints on the design of the setup because it needs to be robust, compact and transportable. Our laser system is a good example because it is based on Telecom technologies (1560 and 1534 nm) frequency doubled. We realized the first test of the weak equivalence principle on microgravity with cold atoms in 2015, which is a major step toward a future spatial mission.The 39K is an atomic species hard to cool and manipulate because of its narrow hyperfine structure. We implemented an other cooling method, the gray molasses, by using a laser resonant to the potassium D1 transition. We built a new sequence to prepare the atoms in…

Advisors/Committee Members: Bouyer, Philippe (thesis director).

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Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d’intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

We present the development of a compact atomic gravimeter, relying on atom interferometry using stimulated Raman transitions. We demonstrate a significant improvement in terms of compactness and simplicity for each element of the device (sensor head, laser source, micro-wave frequency reference, vibration rejection system). This work relies on the use of a hollow-pyramid in place of the usual retro-reflecting mirror. This component allows realizing each step of measurement (trapping and cooling of the atoms, interferometer, detection) with a single laser beam. We developed a very compact sensor head, for which we have simplified every key element. The laser source features only one single laser diode, emitting at 1560 nm to interrogate Rubidium 87 atoms. It benefits from the use of fibered optical telecom components, which have already demonstrated to be performing and robust to environmental conditions. All the elements of the accelerometer prototype are now gathered to allow for the operation…

Advisors/Committee Members: Landragin, Arnaud (thesis director).

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Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^-1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.

Sagnac atomic gyroscopes have great potential due to their high sensitivity to rotation. The SYRTE atomic gyroscope uses laser cooled cesium atoms. Thank to stimulated Raman transitions, we form a folded Mach-Zehnder type interferometer. The instrument allows interrogation times up to 800~ms, which corresponds to a 11cm² Sagnac area, the largest demonstrated for atom interferometers. This is a major step toward the use of such instruments in inertial navigation. I describe the methods implemented to push the short-term sensitivity and performed the first detailed study of systematics, such as those linked to light-shifts due to the preparation and the detection of the atoms and those linked to misalignment of parallelism of the mirrors and of the trajectories of the atoms. I demonstrated a short-term stability of 30nrad.s⁻¹.Hz^-1/2 in triple interleaved joint interrogation which improves the state of the art by a factor 3. The state of the art has also been improved by a factor 5 in long-term with a 0,2nrad.s⁻¹ stability in 30 000s.

Advisors/Committee Members: Landragin, Arnaud (thesis director).

▼ This thesis deals with ultrafast dynamics of electronic processes in rare gas atoms. The processes we explore include photoemission, where we time the emission of electrons moving away from the atomic core following ionization by a photon; and auto-ionization, where the atom spontaneously releases an electron wave-packet following photo-excitation. These processes occur on an attosecond and femtosecond time scale, respectively. The experimental results presented in this thesis have been obtained with the interferometric technique named RABITT, which involves ionizing a target with a train of attosecond pulses and "probing" the event with a weak IR pulse. The attosecond pulse train is generated by focusing an intense laser pulse of femtosecond duration into a gaseous medium. Through a well-known process called high-order harmonic generation, a broadband spectrum of phase locked frequencies are generated in the medium, resulting in a train of pulses with attosecond duration. The special characteristics of this spectrum allows for a quantum interferometer to be conceived by overlapping the train with a weaker replica of the femtosecond IR pulse. Information of the dynamics of the ionization process is imprinted in the interference fringes obtained by varying the delay between the APT and the IR pulse with attosecond precision. In the six papers that this thesis is based on, we investigate three different rare gas systems: helium, neon and argon. We are able to tell which electron, released out of two different shells of neon, escapes first from their parent atom, with a precision of 10 attoseconds or better. In helium, we are able to follow the creation of a wave-packet created by absorption of an attosecond pulse in the vicinity of a resonance and time its decay. We pave the way towards accessing all available information about a similar wave-packet creation in argon, through an angle detection technique with attosecond precision. We then perform a detailed examination of the interferometric technique used in all six papers (RABITT) and determine its limitations in terms of time resolution. The realization of this thesis work involved generating, from a fundamental frequency corresponding to a photon energy of 1.55 eV, high-order harmonics with photon energies exceeding 100 eV. It also involved developing a more stable optical interferometer, optimizing a 2 meter long time-of-flight electron spectrometer, developing scripts for treating and analyzing the data retrieved with the RABITT technique and creating a new interface for acquiring data from the spectrometers.

▼ With the advent of laser cooling and trapping, neutral atoms have become a foundational source of accuracy for applications in metrology and are showing great potential for their use as qubits in quantum information. In metrology, neutral atoms provide the most accurate references for the measurement of time and acceleration. The unsurpassed stability provided by these systems make neutral atoms an attractive avenue to explore applications in quantum information and computing. However, to fully investigate the field of quantum information, we require a method to generate entangling interactions between neutral-atom qubits. Recent progress in the use of highly-excited Rydberg states for strong dipolar interactions has shown great promise for controlled entanglement using the Rydberg blockade phenomenon. I report the use of singly-trapped cesium atoms as qubits for applications in metrology and quantum information. Each atom provides a physical basis for a single qubit by encoding the required information into the ground-state hyperfine structure of cesium. Through the manipulation of these qubits with microwave and optical frequency sources, we demonstrate the capacity for arbitrary single-qubit control by driving qubit rotations in three orthogonal directions on the Bloch sphere. With this control, we develop an atom interferometer that far surpasses the force sensitivity of other approaches by applying the well-established technique of light-pulsed atom-matterwave interferometry to single atoms. Following this, we focus on two-qubit interactions using highly-excited Rydberg states. Through the development of a unique single-photon approach to Rydberg excitation using an ultraviolet laser at 319 nm, we observe the Rydberg blockade interaction between atoms separated by 6.6(3) microns. Motivated by the observation of Rydberg blockade, we study the application of Rydberg-dressed states for a quantum controlled-phase gate. Using a realistic simulation of the dressed-state dynamics, we calculate a controlled-phase gate fidelity of 94% that is primarily limited by Doppler frequency shifts. Finally, we employ our single-photon excitation laser to measure the Rydberg-dressed interaction, thus demonstrating the viability of this approach. Advisors/Committee Members: Deutsch, Ivan, Biedermann, Grant, Carlton, Caves, Lidke, Keith.

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Cette thèse a pour objet de repousser les performances d'un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de Cesium sont refroidis par laser, piégés, et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l'effet Sagnac et est proportionnelle à l'aire physique qu'entourent les deux bras de l'interféromètre. Nous utilisons des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d'interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d'interrogation de 800 ms, nous parvenons à une aire physique de 11 cm². Le manuscrit décrit les améliorations apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d'alignement relatif des faisceaux Raman au niveau du microrad est présentée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d'interférer. La caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection sont également décrites. Nous démontrons une sensibilité de 160 nrad/s à 1 s, et une stabilité long terme de 1.8 nrad/s après 10 000 s d'intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du SYRTE de 2009, et d'un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d'interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale.

This thesis aims at pushing the performances of a cold atom interferometer principally sensitive to rates of rotation in a particular axis. In our experiment, Cesium atoms are laser cooled, trapped and launched in a fountain configuration. According to the Sagnac effect, the sensitivity of the interferometer to rotation is proportional to the area enclosed by the interferometer arms. We use stimulated Raman transitions to split the atoms in two paths and to form a folded Mach-Zehnder-like interferometer architecture using four Raman pulses. With an interrogation time of the atoms of 800 ms, we achieve a Sagnac area as high as 11 cm². The thesis describes the improvements to the experimental setup to operate the gyroscope with such a high Sagnac area. A procedure for the relative alignment of the Raman beams at the microrad level is presented, which is critical to meet the interference condition of the cold atoms at the interferometer output. The characterization and mitigation of the vibration noise, affecting the gyroscope, is also demonstrated. We finally demonstrate a short term rotation stability of 160 nrad/s at 1 s and a long term stability of 1.8 nrad/s after 10 000 s of integration time. This stability level represents a factor 5 improvement compared to the previous SYRTE gyroscope experiment of 2009 and a factor 15 compared to other published…

Advisors/Committee Members: Landragin, Arnaud (thesis director).

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Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s'articule en deux volets. Le premier porte sur l'étude de l'effet des interactions entre atomes au sein d'un interféromètre atomique, dont la source est un condensat de Bose-Eintein. Nous présentons un modèle analytiquepermettant d'obtenir des expressions simples pour le déphasage induit par celles-ci. Ce modèle est comparé à des simulations numériques résolvant les équations de Gross-Pitaevskii couplées, et présente un excellent accord. Le second concerne la conception et la construction d'un nouveau dispositif expérimental visant à obtenir un condensat de Bose-Einteindans le but de réaliser des mesures de haute précision par interférométrie atomique.

The work performed during this thesis comprises two orientations. The first one is the study of the effect of interactions between atoms in an atom interferometer which source of atoms is a Bose-Einstein condensate. We present an analytical model allowing to obtain simple expressions for the phase shift induced by them. This model is compared to numerical simulations solving the coupled Gross-Pitaevskii equations and presents a good agreement. The second one is the design and construction of a new experimental set-up for the production of a Bose-Einstein condensate to perform high precision measurements with the use of atom interferometry.

Advisors/Committee Members: Cladé, Pierre (thesis director), Guellati-Khelifa, Saïda (thesis director).

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Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’une nouvelle expérience d’interféromètre atomique au SYRTE. Elle permettra de réaliser des mesures ultrasensibles du gradient vertical de gravité. Cette expérience fonctionnera à terme en utilisant comme source des atomes ultra-froids, préparés sur une puce à atomes. Elle utilisera comme séparatrices des transitions multiphotoniques, obtenues par diffraction de Bragg d’ordre élevé. Le transport des atomes sera assuré par des réseaux optiques en mouvement. Une première partie du dispositif expérimental a été assemblée et son fonctionnement a été validé en réalisant un interféromètre dual. Cet interféromètre est réalisé sur deux ensembles d’atomes produits successivement à partir de la même source d’atomes froids, et interrogés par une même paire de faisceaux Raman. Une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle a été démontrée expérimentalement. Elle repose sur l’exploitation des corrélations entre les mesures de phase des interféromètres et une estimation de la phase sismique fournie par la mesure annexe d’un capteur classique.

This thesis is about the design and realisation of a new atomic interferometer experiment at SYRTE. It will allow ultra-sensitive measurements of the vertical gradient of gravity. This experiment will work using ultra-cold atoms as a source, prepared on an atom chip. It will use large momentum transfer beam-splitter, obtained by high order Bragg diffraction. The transport of atoms will be provided by moving optical lattices. A first part of the experimental setup was assembled and its operation was validated by producing a dual interferometer. This interferometer is performed on two atomic clouds produced successively from the same source of cold atoms, and interrogated by the same pair of Raman beams. A new method of differential phase extraction has been experimentally demonstrated. It is based on the exploitation of the correlations between the interferometer phase measurements and the estimation of the seismic phase provided by an additional classical sensor.

Advisors/Committee Members: Pereira Dos Santos, Franck (thesis director).

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Mes travaux de thèse portent sur le développement d’un capteur inertiel à atomes froids à portée métrologique de nouvelle génération. Son architecture est basée sur deux sources atomiques indépendantes interrogées simultanément par une séquence d’interférométrie atomique commune aux deux sources. Aussi, dans l’optique d’atteindre des performances de mesure ultimes, notre instrument repose sur des fonctions optiques de manipulation d’atomes froids de dernières générations: oscillations de Bloch et séparatrices multi-photoniques. En trois ans, notre instrument a atteint un niveau de développement suffisant pour faire la démonstration de son principe de fonctionnement, permettant de mesurer simultanément l’accélération de la pesanteur g et son gradient vertical. En particulier, nous avons démontré une nouvelle méthode de mesure qui permet de s’affranchir non seulement des bruits en mode commun, mais aussi des fluctuations de la ligne de base de l’instrument, pour la détermination du gradient de gravité. Pour mener à bien ces travaux, j’ai également utilisé un prototype de banc optique industriel pour application spatiale, développé dans le cadre d’un projet financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et coordonné par la société Muquans. En parallèle des développements sur notre instrument, nous avons testé et caractérisé ce banc fibré qui réalise toutes les fonctions optiques nécessaires au fonctionnement d’un interféromètre atomique dans l’espace.

This work focuses on the development of a new generation of cold-atom inertial sensor. Its architecture is based on two independent atomic sources simultaneously interrogated by an interferometric sequence common to both sources. In addition, in order to achieve ultimate measurement performance, our instrument is based on the latest optical methods for atomic manipulation: Bloch oscillations and multi-photon transitions. During my thesis, the instrument has reached a level of development to perform a proof-of-principle operation, allowing to simultaneously measure the gravity acceleration g and its vertical gradient. In particular, we demonstrated a new measurement method that allows to overcome not only common mode noise, but also the baseline fluctuations of the instrument, for the determination of the gravity gradient. To carry out this work, I also used a prototype of industrial optical bench for space application, developed as part of a project funded by the European Space Agency (ESA) and coordinated by the Muquans company. In parallel with the developments of our instrument, we tested and characterized this fiber bench which fulfills all the optical functionalities necessary for the operation of an atom interferometer in space.

Advisors/Committee Members: Pereira Dos Santos, Franck (thesis director).

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Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.

This research work fulfilled as part of my PhD project involved to design, build and characterise a new experimental setup based on an atom source by evaporative cooling in an optical dipole trap. It goes after the improvement of the uncertainty on the measurement of the ratio h/m between Planck’s constant and the rubidium atom mass, reducing the Gouy phase and wavefront curvature.In a first step we have studied several optical configurations to optimise the dipole trap loading: the 50 W beam at 1070 nm is shaped in a double 93 µm waist reservoir and one crossed 20 µm waist dimple. After having optimised and caracterised the evaporative process, we obtained one Bose-Einstein condensate.Furthermore, for Raman interferometry, we set up a new laser system at 1560 nm based on frequency doubling. We developed a double cervo loop: on the one hand, it allows to phase lock the two laser sources, and on the other hand to correct phase noise accumulated in fibered amplifiers.Today, our new experimental setup is ready to perform atom interferometry on a Bose-Einstein condensate.

Advisors/Committee Members: Cladé, Pierre (thesis director), Guellati-Khelifa, Saïda (thesis director).

▼ Bose-Einstein condensates are coherent matter waves, produced by cooling gaseous atomic clouds to ultra-low temperatures. For applications in atom interferometry and precision measurements, Bose-condensed sources present an intriguing alternative to thermal atoms. Although the current sensitivity achievable with interferometers using coherent atoms is not comparable to thermal beam machines (mainly due to the lower flux), there are promising ways to utilise the potential of Bose-condensed sources for atom interferometry. Among those is the low momentum width of Bose-Einstein condensates, which can generally be well controlled and is advantageous for increased interferometric sensitivities by implementing large momentum transfer beam splitters. As part of this thesis, experimental and theoretical investigations are presented to investigate the potential of Bose-Einstein condensates for such applications. We shall present the quantum projection noise limited performance of a Ramsey interferometer operating on the atomic clock transition of a freely expanding cloud of Bose-condensed rubidium 87 atoms. The results include Ramsey fringes of high visibility, not measurably affected by atomic interaction-induced dephasing effects. The achievement and detection of the quantum projection noise limit rely critically on the precision and accuracy of both the imaging setup and the coupling scheme in the interferometric beam splitters. The stabilisation of the beam splitters via an optical Sagnac interferometer is the basis for the quantum projection noise limited performance of the interferometer presented. For an increase of bandwidth and flux in atom interferometric measurements, it is advantageous to use a continuous atomic beam. A truly continuous coherent atom source has not been realised to date, and we present results on a pumping mechanism in this thesis, as a decisive step towards a continuous atom laser. By the investigation of different momentum resonances, we find that the pumping scheme relies on a Raman superradiance-like process. Finally, the thesis demonstrates two interaction measurements in rubidium. The strong mean field interactions due to the high densities in Bose-Einstein condensates are used to probe the potential of a rubidium 87 condensate with an atom laser. The measurement allows a determination of the scattering length between the two atomic states involved. In addition to this two-body scattering scheme, we present a measurement of three-body loss coefficients, extracted from loss curves in rubidium 85 Bose-Einstein condensates. The measurement provides new upper bounds on the three-body loss coefficients at the scattering lengths considered.