Interférométrie atomique de haute sensibilité dans un résonateur optique

Ce projet de doctorat vise à exploiter le potentiel des séparatrices atomiques à transfert de quantité de mouvement élevé (dites séparatrices « LMT » pour Large Momentum Transfer) afin d’augmenter la sensibilité des capteurs basés sur l’interférométrie atomique et ouvrir ainsi une nouvelle classe de mesures de précision. Ce projet s’appuie sur le potentiel des résonateurs optiques comme technique clé pour l’amélioration de la sensibilité. Après des résultats pionniers obtenus dans le cadre du projet « MIGA » [1], consistant en la démonstration d’un interféromètre à ondes de matière dans un résonateur marginalement stable de 1 m [2], ce projet de thèse se concentrera sur le développement de telles techniques sur une configuration de mesure gradiométrique utilisant ligne de base de quelques mètres.

Le projet de thèse bénéficiera d’un gradiomètre atomique développé au LP2N dans le cadre du projet MIGA. Ce dispositif est basé sur l’utilisation de deux sources de 87Rb refroidies à quelques micro-K et lancées sur une trajectoire vertical en direction d’une zone d’interrogation où les ondes de matières sont manipulées à l’aide d’un faisceau laser en cavité permettant de créer un interféromètre atomique à trois impulsions (π/2)-(π)-(π/2).

Basée sur une mesure différentielle entre deux interféromètres atomiques interrogés dans le même résonateur, cette configuration gradiométrique offre une immunité importante aux sources de bruit commun et constitue donc l’une des principales briques technologiques pour construire de futurs capteurs de haute sensibilité. En effet, les questions métrologiques sont centrales pour l’exploitation des techniques de LMT pour l’interférométrie atomique : malgré de nombreuses démonstrations d’interféromètres LMT par différents groupes, les techniques dites « standard » d’interrogation à 2 photons restent encore les plus utilisées pour les mesures de précision. 

Le doctorat développera donc de nouveaux modèles et simulations pour comprendre la métrologie de l’interaction atome-cavité. Un soin particulier sera apporté à la modélisation de l’impact des paramètres de la cavité, à la fois statiques tels que les défauts des miroirs, mais également dynamiques tels que les fluctuations d’alignement. De tels effets peuvent créer des variations parasites de phase d’interrogation ou d’intensité qui peuvent affecter les performances des interféromètres LMT. Des outils de simulation spécifiques seront développés pour comprendre l’impact des différents paramètres expérimentaux sur les mesures finales du gradiomètre.

Sur la base de ces études, la thèse étudiera également de nouveaux processus d’interrogation « LMT » utilisant des résonateurs optiques. Dans le cadre du projet MIGA, il a été préalablement démontré [2] la réalisation d’interféromètres en cavité permettant un transfert de quantité de mouvement jusqu’à 2nhk avec un paramètre de transfert de n=1 à 4. Nous étudierons ainsi comment de nouvelles architectures d’impulsion d’interrogation peuvent permettre d’augmenter ce paramètre de un à deux ordres de grandeurs. Ces activités contribueront à augmenter la sensibilité des capteurs quantiques à atomes froids, mais également à repousser leslimites des expériences à grande échelle d’interféromètres atomiques telles que MIGA.

[1] B. Canuel, A. Bertoldi, L. Amand et al. Exploring gravity with the MIGA large scale atom interferometer. Sci Rep 8, 14064 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-32165-z

[2] D. O. Sabulsky, J. Junca, X. Zou, A. Bertoldi, M. Prevedelli, Q. Beaufils, R. Geiger, A. Landragin, P. Bouyer, B. Canuel, Multi-photon Atom Interferometry via cavity-enhanced Bragg Diffraction, Phys. Rev. Lett. 132, 213601 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.213601

Le laboratoire LP2N est pionnier dans les thématiques d’interférométrie atomique. Il a en particulier étudié des interféromètres non conventionnels pour de nouveaux types d’applications (accéléromètre en microgravité pour des applications spatiales, accéléromètre multi-axe pour la navigation inertielle, interféromètre dans une cavité optique, …).

Le LP2N est également fortement impliqués dans le projet MIGA, antenne gravitationnelle souterraine basée sur l'interféromètre atomique en cours de construction au laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB). Cette expérience consiste en un réseau d'interféromètres atomiques d’une longueur de base de 150 m permettant de mesurer simultanément des effets de strain et les effets inertiels agissant à l'intérieur d'une cavité optique. Toute première infrastructure de ce type au monde basée sur les technologies quantiques, MIGA ouvrira des perspectives nouvelles pour la détection des ondes gravitationnelles à basse fréquences mais également pour les géosciences à travers la mesure long terme des fluctuations spatio-temporelles du champ de gravité terrestre. 

Expérience en optique, physique des lasers, instrumentation. Notions de physique atomique.