Interféromètres atomiques dans un réseau optique

The aim of the ForCa-G project, for Casimir force and short range Gravitation, lies into the measurement of short range forces between atoms and a mirror using atomic interferometry techniques. Particularly, the Casimir-Polder force and the pursuit of short range gravitational tests in the frame of potential deviations of Newton's law are aimed. This experiment is based on the trapping of neutral atoms in a 1D vertical optical lattice, where the energy eigenvalues of the Hamiltonian describing this system is the so-called Wannier-Stark ladder of discrete energy states localized in each lattice well. This work constitutes a demonstration of principle of this project with atoms set far from the mirror. Each energy state is thus separated from the one of the adjacent well by the potential energy increment between those two wells, called the Bloch frequency $\nu_{\mathrm{B}}$. Then, atomic interferometers are realized in the lattice using Raman or microwave pulses where the trapped atomic wavefunctions are placed, and then recombined, in a superposition of states between different energy states localized either in the same well, either in adjacent wells. This work presents the study of different kinds of atomic interferometers in this optical lattice, characterized in terms of sensibility and systematic effects on the Bloch frequency measurement. One of the studied interferometers accessed to a sensitivity on the Bloch frequency of $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 9.0 \times 10^{-6}$ at $1$~s in relative, which integrates untill $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 1.9 \times 10^{-7}$ in $2 \, 800$~s. This corresponds to a state-of-the-art measurement of the gravity acceleration $g$ for a trapped atomic gravimeter.Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d'interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d'éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s'appuie sur le piégeage d'atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d'énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d'énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch $\nu_{\mathrm{B}}$. Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l'aide d'impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d'onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d'états entre différents niveaux d'énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l'étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d'effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 9,0 \times 10^{-6}$ à $1$~s en relatif a été obtenue, qui s'intègre jusqu'à $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 1,9 \times 10^{-7}$ en $2 \, 800$~s. Ce qui constitue une mesure de l'accélération de la pesanteur g à l'état de l'art des gravimètres atomiques piégés