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Présentation du LCAR

Le LCAR (UMR 5589, Laboratoire Collisions-Agrégats-Réactivité) est un laboratoire de physique fondamentale localisé sur le campus de l'Université de Toulouse. Le LCAR est membre de la Fédération FeRMI (Fédération de recherche Matière et Interactions). Deux axes principaux sont développés:

    1. L’axe « interaction laser-matière » se focalise sur la manipulation par laser d’ondes de matières et l’étude d’effets fondamentaux.
    2. L’axe « Structures et dynamiques moléculaires » développe l’étude et la mesure de propriétés de systèmes complexes tels que des agrégats, des nanoparticules ou des molécules d’intérêt biologique et astrophysique dans leur environnement.

 

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Procédé de mesure de la force d’interaction entre une portion et une pointe d’une sonde de force d’un AFM solidaire d’un moyen d’excitation, le moyen d’excitation étant apte à vibrer en fonction d’un signal d’excitation e(t), le procédé comprenant une étape de mise en excitation de la sonde de force, un signal d’excitation étant appliqué configuré pour engendrer, une déflexion libre s0(t) formant un signal sinusoïdal modulé en amplitude par une impulsion, la sonde de force entrant en résonance à une fréquence de résonance libre f_0, une étape de mesure de la déflexion s(t), la sonde de force entrant en résonance à une fréquence de résonance d’interaction f_T, une étape de traitement dans laquelle est évalué un décalage fréquentiel Δf_T, différence entre la fréquence de résonance d’interaction de la sonde de force, et la fréquence de résonance libre.

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Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.

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The effective control of atomic coherence with cold atoms has made atom interferometry an essential tool for quantum sensors and precision measurements. The performance of these interferometers is closely related to the operation of large wave packet separations. We present here a novel approach for atomic beam splitters based on the stroboscopic stabilization of quantum states in an accelerated optical lattice. The corresponding Floquet state is generated by optimal control protocols. In this way, we demonstrate an unprecedented Large Momentum Transfer (LMT) interferometer, with a momentum separation of 600 photon recoils (600k) between its two arms. Each LMT beam splitter is realized in a remarkably short time (2 ms) and is highly robust against the initial velocity dispersion of the wave packet and lattice depth fluctuations. Our study shows that Floquet engineering is a promising tool for exploring new frontiers in quantum physics at large scales, with applications in quantum sensing and testing fundamental physics.

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We numerically study the optimal control of an atomic Bose-Einstein condensate in an optical lattice. We present two generalizations of the gradient-based algorithm, GRAPE, in the non-linear case and for a two-dimensional lattice. We show how to construct such algorithms from Pontryagin’s maximum principle. A wide variety of target states can be achieved with high precision by varying only the laser phases setting the lattice position. We discuss the physical relevance of the different results and the future directions of this work.

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We study superfluid helium droplets multiply charged with Na+ or Ca+ ions. When stable, the charges are found to reside in equilibrium close to the droplet surface, thus representing a physical realization of Thomson’s model. We find the minimum radius of the helium droplet that can host a given number of ions using a model whose physical ingredients are the solvation energy of the cations, calculated within the helium density functional theory approach, and their mutual Coulomb repulsion energy. Our model goes beyond the often used liquid drop model, where charges are smeared out either within the droplet or on its surface, and which neglects the solid-like helium shell around the ions. We find that below a threshold droplet radius R0, the total energy of the system becomes higher than that of the separated system of the pristine helium droplet and the charges embedded in their solvation microcluster (“snowball”). However, the ions are still kept within the droplet by the presence of energy barriers, which hinder Coulomb explosion. A further reduction of the droplet radius below a value Rexpl eventually results in the disappearance of such barrier, leading to Coulomb explosion. Surprisingly, our results are rather insensitive to the ion atomic species. This makes room to discuss them in the context of intrinsic multicharged helium droplets, where the charges are triatomic He3+ ions. Our calculated values for Rexpl display the correct scaling with the number of cations compared to the available experimental results, at variance with other estimates for the critical radii.

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