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THÈSE présentée DEVANT L’UNIVERSITÉ PAUL SABATIER DE TOULOUSE (SCIENCES) envuedel’obtentiondu DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ Spécialité: Physique Quantique par Alain MIFFRE EXPÉRIENCES D’INTERFÉROMÉTRIE ATOMIQUE AVEC LE LITHIUM. MESURE DE PRÉCISION DE LA POLARISABILITÉ ÉLECTRIQUE. Soutenue le 23 juin 2005 devant la commission d’examen: J.A. BESWICK, Professeur, Univ. Paul Sabatier, Toulouse Président M. BÜCHNER, Chargé de Recherches, L.C.A.R., Toulouse Examinateur R. KAISER, Directeur de Recherches, I.N.L.N., Nice Rapporteur C. SALOMON, Directeur de Recherches, L.K.B., Paris Rapporteur P. VERKERK, Directeur de Recherches, Ph.L.A.M., Lille Examinateur J. VIGUÉ, Directeur de Recherches, L.C.A.R., Toulouse Directeur de thèse Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité, UMR 5589, CNRS IRSAMC, Université Paul SABATIER, TOULOUSE, FRANCE THÈSE présentée DEVANT L’UNIVERSITÉ PAUL SABATIER DE TOULOUSE (SCIENCES) envuedel’obtentiondu DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ Spécialité: Physique Quantique par Alain MIFFRE EXPÉRIENCES D’INTERFÉROMÉTRIE ATOMIQUE AVEC LE LITHIUM. MESURE DE PRÉCISION DE LA POLARISABILITÉ ÉLECTRIQUE. Soutenue le 23 juin 2005 devant la commission d’examen: J.A. BESWICK, Professeur, Univ. Paul Sabatier, Toulouse Président M. BÜCHNER, Chargé de Recherches, L.C.A.R., Toulouse Examinateur R. KAISER, Directeur de Recherches, I.N.L.N., Nice Rapporteur C. SALOMON, Directeur de Recherches, L.K.B., Paris Rapporteur P. VERKERK, Directeur de Recherches, Ph.L.A.M., Lille Examinateur J. VIGUÉ, Directeur de Recherches, L.C.A.R., Toulouse Directeur de thèse Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité, UMR 5589, CNRS IRSAMC, Université Paul SABATIER, TOULOUSE, FRANCE Résumé La construction d’interféromètres atomiques permet d’envisager la mesure très précise de quantités physiques. Cette étude présente une mesure de la polarisabilité de l’atome de lithium par interférométrie atomique. Le résultat obtenu, α = (24,33 ± 0,16) ×10−30 m3, améliore la connaissance de cette grandeur physique d’un facteur trois par rapport aux mesures les plus précisesrecenséesdanslalittérature. Ce travail présente de manière détaillée le réglage puis l’utilisation d’un interféromètre ato- mique de Mach - Zehnder. Les deux bras de l’interféromètre sont séparés spatialement par diffraction élastique de l’onde atomique par une onde stationnaire laser, quasi résonante avec lapremièretransitionderésonancedulithium.Unensembledetechniquesexpérimentalessou- vent complexesdans leur mise en oeuvre est nécessaire pour construire l’interféromètre. Après une étude détaillée de la source d’atomes de lithium (un jet supersonique ensemencé dans de l’argon), nous présentons nos signaux d’interférence atomique, d’excellente visibilité, allant jusqu’à84,5%aupremierordredediffraction.Unegrandevariétédesignauxaétéenregistrée, par diffraction de l’isotope fermionique dans des ordres supérieurs ou par diffraction de l’iso- tope bosonique minoritaire. La qualité des signaux d’interférence obtenus est ensuite mise à profitpourréaliserdesmesuresdephased’unegrandeprécision.Unepremièreexpérienceper- met d’évaluer la sensibilité de l’interféromètre atomique aux gradients de champ magnétique. Une mesure absolue de la polarisabilité électrique du lithium est ensuite proposée par applica- tion d’un champ électrique sur un seul des deux chemins atomiques, distants de seulement 90 micromètres.Laconstructiond’untelcondensateur,sonalignementparrapportaujetatomique, etsonutilisationsontdétailléesdanscettethèse,etconduisentàunemesuretrèsprécisedudé- phasage induit par effet Lo Surdo - Stark (précision de 0,07 %). Pour cette première mesure, l’incertitude finale sur la polarisabilité du lithium est de seulement 0,66 %, et elle est dominée par l’incertitude sur la vitesse moyenne des atomes, ce qui laisse espérer des possibilités d’un gaindeprécisionsupplémentaire. Abstract Atom interferometers are very sensitive tools to make precise measurements of physical quantities. This study presents a measurement of the static electric polarizability of lithium by atom interferometry. Our result, α = (24.33 ± 0.16) ×10−30 m3, improves by a factor of three themostaccuratemeasurementsofthisquantity. This work describes the tuning and the operation of a Mach - Zehnder atom interferometer in detail. The two interfering arms are separated by elastic diffraction of the atomic wave by a laserstandingwave,almostresonantwiththefirstresonancetransitionoflithiumatom.Asetof experimentaltechniques,oftencomplicatedtoimplement,isnecessarytobuildtheexperimental set-up.Afteradetailedstudyoftheatomsource(asupersonicbeamoflithiumseededinargon), wepresentourexperimentalatomsignalswhichexhibitaveryhighfringevisibility,upto84.5 % for first order diffraction. A wide variety of signals has been observed, by diffraction of the bosonic isotope at higher diffraction orders and by diffraction of the fermionic less abundant isotope. The quality of these signals is then used to do very accurate phase measurements. A first experiment investigates how the atom interferometer signals are modified by a magnetic fieldgradient.Anabsolutemeasurementoflithiumatomelectricpolarizabilityisthenachieved by applying a static electric field on one of the two interfering arms, separated by only 90 micrometers.Theconstructionofsuchacapacitor,itsalignmentintheexperimentalset-upand itsoperationarefullydetailed.WeobtainaveryaccuratephasemeasurementoftheinducedLo Surdo-Starkphaseshift(0.07%precision).Forthisfirstmeasurement,thefinaluncertaintyon the electric polarizability of lithium is only 0.66 %, and is dominated by the uncertainty on the atombeammeanvelocity,sothatafurtherreductionoftheuncertaintycanbeexpected. Remerciements Ce travail de recherche a été effectué au Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité de l’Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes, à l’Université PaulSabatierdeToulouse. MonsieurJuanAlbertoBESWICK,Professeurdel’Université,m’afaitl’honneurdeprésider lejurydethèse.Qu’iltrouveicil’expressiondemontrèsgrandrespectetdetoutemagratitude. J’adresse des remerciements très appuyés à l’égard de Monsieur Christophe SALOMON, Directeur de Recherches au C.N.R.S. au Laboratoire Kastler - Brossel, Département de Phy- sique de l’Ecole Normale Supérieure de Paris, et de Monsieur Robin KAISER, Directeur de Recherches au C.N.R.S. à l’Institut Non Linéaire de Nice. Malgré un emploi du temps très chargé,ilsontacceptéd’examineretdejugerletravailproposé.Qu’ilstrouventicil’expression demesremerciementssincèrespourl’intérêtqu’ilsontmanifestépourcetravail. J’exprimetoutemareconnaissanceàMonsieurPhilippeVERKERK,DirecteurdeRecherches auC.N.R.S.duLaboratoiredePhysiquedesLasers,AtomesetMoléculesdeLille,poursalec- turedétailléeetconstructivedecemémoire. Je remercie très vivement Monsieur Jacques VIGUÉ, Directeur de Recherches au C.N.R.S., pourm’avoiraccueilliauseinduLaboratoireCollisions,Agrégats,Réactivité,etpouravoirac- ceptédedirigercettethèse.J’aibeaucoupappréciésongoûtpourlepartagedesconnaissances. Sagrandeexpérienceetlesnombreusesréférencesbibliographiquesqu’ilasumeproposeront été très formatrices. J’ai particulièrement tiré bénéfice de nos discussions, notamment sur la méthodederédactiond’unarticleetd’unmanuscritdethèse.Jel’enremerciechaleureusement. J’exprime de vifs remerciements à l’égard de Monsieur Matthias BÜCHNER, Chargé de RecherchesauC.N.R.S,avecquij’aipartagél’expérienceauquotidien.J’aibeaucoupapprécié sa disponibilité et la confiance qu’il a su témoigner à un chercheur débutant. Qu’il trouve dans cemémoirelesdifférentesexpériencesmenéesencommun. J’adresse également des remerciements appuyés à l’égard de Monsieur Gérard TRÉNEC, IngénieurdeRecherchesauC.N.R.S.,poursadisponibilité,sonsavoir-faireetsonattention. J’adresse enfin un message amical à Rémi DELHUILLE avec qui j’ai passé les quatre pre- miers mois de cette thèse et qui m’a accueilli sur Münich lors de ma visite en décembre 2003. Je souhaite bonne chance à Marion JACQUEY qui a la tâche de poursuivre, et je remercie les stagiairesavecquij’aitravaillé,enparticulierThomasNIRRENGARTENetPierreGENEST. Ces années de thèse ont aussi été l’occasion de cotoyer et d’apprécier les autres personnes du Laboratoire. J’exprime ici de vifs remerciements à l’égard de Arnaud Le PADELLEC, Aziz BOUCHENE, Carlo RIZZO, Renaud MATHEVET, Patrick MORETTO - CAPELLE, et je garde de très bons souvenirs de mes échanges avec Gaétan LÉVÊQUE, Arnaud DUPAYS, Nicolas NIEWJAER et Arnaud RENTENIER. Je remercie l’ensemble du personnel adminis- tratifettechniqueduLaboratoire,etnotammentMarie-FranceROLLAND,LaurentPOLIZZI et Michel GIANESIN, dont l’aide précieuse aura permis de mener ce travail dans de bonnes conditions. L’étude qui va maintenant vous être proposée a été rendue possible par l’affection et la confiancetotaledecertainespersonnes.Cemémoireleurestparconséquentdédié:àmeschers parents donc, à mes deux soeurs Marie et Joëlle et leur famille respective, et à l’amitié solide quimelieàMax,LydiaetEric,etElsdeTolosà.
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