Test de la neutralité atomique par interférométrie atomique – TANAI

Des schémas d'interférométrie originaux fondés sur la manipulation d’atomes froids dans des réseaux optiques ont été proposés afin de transférer un grand nombre d’impulsion de photons (ℏk), promettant ainsi une augmentation de la sensibilité des mesures inertielles et une plus grande séparation entre les bras de l’interféromètre. Nous avons récemment démontré, grâce à l’utilisation de techniques de control optimal quantique, un interféromètre avec une séparation de 600ℏk, ce qui représente la plus grande séparation en impulsion réalisée jusqu'à présent. Cette démonstration ouvre la voie à des interféromètres dont les séparations spatiales peuvent atteindre plusieurs mètres.

Des schémas d'interférométrie originaux fondés sur la manipulation d’atomes froids dans des réseaux optiques ont été proposés afin de transférer un grand nombre d’impulsion de photons (ℏk), promettant ainsi une augmentation de la sensibilité des mesures inertielles et une plus grande séparation entre les bras de l’interféromètre. Nous avons récemment démontré, grâce à l’utilisation de techniques de control optimal quantique, un interféromètre avec une séparation de 600ℏk, ce qui représente la plus grande séparation en impulsion réalisée jusqu'à présent. Cette démonstration ouvre la voie à des interféromètres dont les séparations spatiales peuvent atteindre plusieurs mètres.

Production scientifique :

Characterization of an atom interferometer in the quasi-Bragg regime, A. Béguin, T. Rodzinka, J. Vigué, B. Allard, and A. Gauguet, Phys. Rev. A 105, 033302 (2022).

Cette étude porte sur la diffraction d'atomes ultrafroids dans le régime de quasi-Bragg, qui relie les régimes de Raman-Nath et de Bragg. Les résultats expérimentaux sont en accord avec les modèles numériques, jetant ainsi les bases de futures techniques de transfert de grands moments.

Atom Interferometry with Coherent Enhancement of Bragg Pulse Sequences, A. Béguin, T. Rodzinka, L. Calmels, B. Allard, and A. Gauguet, Phys. Rev. Lett. 131, 143401 (2023)

Ce travail démontre des interféromètres atomiques fondés sur des séparatrices atomiques à très transfert d’impulsion grâce à des séquences de transitions de Bragg. Nous avons ainsi démontré des interféromètres avec des séparations jusqu'à 200ℏk. Nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme basé sur des interférences destructives entre des canaux de pertes, ce qui améliore considérablement l'efficacité des séparatrices atomiques. L'étude porte également sur les interféromètres parasites résultant d'effets multiports de quasi-Bragg, en vérifiant expérimentalement l'amélioration du déphasage et en caractérisant la perte de visibilité. Ces séparatrices atomiques très efficaces et avec une phase bien contrôlée sont très importantes pour les applications des techniques LMT aux capteurs quantiques.

Optimal Floquet Engineering for Large Scale Atom Interferometers, T. Rodzinka and E. Dionis and L. Calmels and S. Beldjoudi and A. Béguin and D. Guéry-Odelin and B. Allard and D. Sugny and A. Gauguet, arXiv:2403.14337 (accepted for publication in Nature Communication)

Ce travail présente une nouvelle approche pour réaliser des séparatrices atomiques à grand transfert d’impulsion. Cette approche tire parti de la stabilisation stroboscopique d’un état de Floquet dans un réseau optique accéléré. En utilisant des protocoles de contrôle optimale, l'état de Floquet généré permet d’atteindre une séparation en impulsion record de 600ℏk dans un interféromètre en seulement 2 ms. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour la création d’interféromètre à très grande séparations spatiales avec des applications en physique fondamentale et pour les capt

Des schémas d'interférométrie originaux fondés sur la manipulation d’atomes froids dans des réseaux optiques ont été proposés afin de transférer un grand nombre d’impulsion de photons (ℏk), promettant ainsi une augmentation de la sensibilité des mesures inertielles et une plus grande séparation entre les bras de l’interféromètre. Nous avons récemment démontré, grâce à l’utilisation de techniques de control optimal quantique, un interféromètre avec une séparation de 600ℏk, ce qui représente la plus grande séparation en impulsion réalisée jusqu'à présent. Cette démonstration ouvre la voie à des interféromètres dont les séparations spatiales peuvent atteindre plusieurs mètres.

Les interféromètres atomiques sont dorénavant utilisés pour réaliser des mesures de précision dans plusieurs domaines de recherche. En effet, cette technologie a permis de réaliser des mesures inertielles comparables aux meilleurs capteurs commerciaux, devenant ainsi un candidat sérieux pour la gravimétrie et les applications en géophysique. Les interféromètres atomiques participent également à la détermination de constantes fondamentales comme la constante de gravitation ou la constante de structure-fine. En physique fondamentale, ils sont envisagés pour tester la relativité générale, la QED et de nouveaux modèles en physique des particules.

Ce projet ANR contribue à l’étude de nouvelles techniques afin de surmonter les limites actuelles des interféromètres atomiques. Il repose sur un interféromètre atomique à la pointe de la technologie et propose d’utiliser cet instrument pour réaliser un test de la neutralité de l'atome grâce à une nouvelle approche fondée sur des mesures de déphasages géométriques.

Dans un premier temps, nous développerons un nouvel interféromètre à grande séparation spatiale grâce à la manipulation de condensats de Bose-Einstein (BEC) par des réseaux optiques. Cette expérience contribuera à étudier les effets systématiques et la sensibilité limite de ces instruments. Par ailleurs, nous étudierons des techniques plus avancées et leur gain métrologique. En particulier, nous prévoyons de mettre en œuvre des méthodes de contrôle optimal afin d’améliorer les performances et la robustesse des interféromètres fondés sur des BEC et des réseaux optiques.

Au-delà de ces développements en ingénierie quantique, nous utiliserons le nouvel interféromètre pour repousser les limites des tests de la neutralité électrique de la matière. Ces tests sont d’une grande importance pour étudier les extensions du modèle standard, de modèles cosmologiques et pour la métrologie électrique. Cependant, malgré les nombreux efforts expérimentaux déployés au cours des dernières décennies, les améliorations sont relativement minimes. La méthode proposée dans TANAI est fondée sur la mesure du déphasage géométrique d'Aharonov-Bohm, et constitue une approche totalement nouvelle. Dans le cadre de ce projet nous pensons qu’elle pourrait améliorer les limites actuelles de 2 ordres de grandeur.

TANAI contribuera donc à faire progresser l’interférométrie atomique afin de porter la sensibilité des capteurs quantiques à un niveau supérieur. Les techniques étudiées dans ce projet sont d'un grand intérêt pour le développement des futurs capteurs inertiels embarqués, ainsi que pour le développement de programmes plus ambitieux prévus dans la prochaine décennie (détecteurs gravitationnels, missions spatiales, etc.). En effet, certaines des méthodes testées au cours du projet font partie de leurs prérequis scientifiques et technologiques. Des partenaires industriels pourront être impliqués pour développer davantage la technologie. Enfin, le nouveau dispositif ouvrira de nouvelles possibilités pour explorer l'utilisation des phases géométriques en métrologie. Ce projet permettra donc à un jeune chercheur de développer son propre domaine de recherche, complémentaire de celles menées dans les équipes d’interférométrie atomique.