Ultra-Cold Atom Source for On-Board Quantum Sensors : Design and Implementation of a Grating Magnetic Chip
Source d'atomes ultra-froids pour les capteurs quantiques embarqués : conception et mise en œuvre d'une puce magnétique à réseau
Résumé
This thesis presents the work I carried out in Toulouse between 2020 and 2024 at the Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) in the atom interferometry team and at the Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) in the photonics team. This work led to the design of a new on-chip source of ultra-cold Rubidium 87 atoms for on-board applications. For the first time, this source combines a diffraction grating for laser cooling and a magnetic chip, increasing the robustness and compactness of the device. In this thesis, I describe the design, fabrication, assembly, and experimental implementation of this source. The first chapter explains the design methodology based on exact numerical simulations of the diffraction grating. These simulations allowed me to select a grating geometry that was robust to fabrication imperfections and had good optical properties. I then address the design of the magnetic chip used for forced evaporative cooling. This chip has the capability to create a tightly confining magnetic trap at a distance of 500 µm from the wire, compatible with the thickness of the overlaying optical grating. The final chapter of the manuscript presents the performance of the source. I show the advantages of using a beam with a flat intensity profile for laser cooling on a grating. It increases the number of atoms trapped thanks to a better balance of radiation pressure and a more efficient use of the optical power. I then present and discuss the experimental sequence. This sequence, tuned using a Bayesian optimization algorithm, allows 20 million atoms to be loaded into the compressed magnetic trap. Finally, I demonstrate that after a forced evaporative cooling, a Bose-Einstein condensate of 35,000 atoms was obtained. This result constitutes the first proof of principle of a source of ultra-cold atoms produced using a grating magnetic chip. It opens the way for this technology to become a competitive solution for generating a high flux of ultra-cold atoms for future on-board quantum sensors.
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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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