La Relativité Générale n'est probablement pas la théorie ultime de la gravitation. Cette affirmation est motivée par des considérations théoriques liées à la recherche d'une théorie quantique de la gravitation et aux tentatives d'unification des interactions fondamentales. Une autre motivation provient des observations cosmologiques expliquées par l'introduction de matière noire et d'énergie sombre non observées directement à ce jour. La thèse se propose de déduire des signatures observables expérimentalement provenant de théories alternatives de la gravitation. Dans cette optique, il a été développé des outils qui permettent de simuler des observations dans des théories alternatives de la gravitation pour deux échelles différentes : dans le cadre du système solaire et dans le cadre de la cosmologie. Dans le cadre du système solaire, des logiciels ont été développés permettant de simuler des observations spatiales de Range, Doppler et de type astrométrique. Au niveau cosmologique, le développement d’un logiciel a permis de simuler des observations de distance-luminosité de Supernovae Ia. Ces outils permettent de dériver les signatures caractéristiques des théories alternatives. Ainsi, ces différents outils ont été appliqués à quelques théories alternatives de la gravitation et ont permis de répondre à cette question : quel est l'impact d'une modification de la théorie de la gravitation sur des observations et est-il possible de la détecter ?

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La thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à des températures cryogéniques (de 3 K à 15 K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématique sur la gamme de fréquence [1 MHz − 90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417×10⁶ et des produits Q·f (facteur de qualité Q, à la fréquence f) pouvant atteindre 3,07×10¹⁶ Hz ont été mesurés pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité ne dépend pas de la fréquence à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4 K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. La thèse présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryo-géniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4×10⁻¹³ à 100 s et restent à mieux que 1×10⁻¹² entre 1 s et 2 000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1,5×10⁻¹² à 200 s et meilleure que 1×10⁻¹¹ pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.

Le piégeage d’atomes sur puce ouvre de nouvelles possibilités pour la métrologie temps-fréquence et l’interférométrie atomique intégrée. L’expérience TACC (Trapped Atomic Clock on a Chip) a pour but d’étudier le potentiel des gaz quantiques, dégénérés ou non, pour la métrologie, et d’élaborer de nouveaux outils pour la manipulation des atomes. Elle vise notamment la réalisation d’un étalon secondaire de fréquence avec une stabilité de quelques 10^–13 à une seconde. La thèse s’inscrit dans ce contexte, présentant les résultats de quelques expériences de métrologie réalisées avec des nuages thermiques ou des condensats de Bose-Einstein. Dans un premier temps, il a été démontré une stabilité de 5,8×10^–13 à une seconde, les bruits techniques limitant cette stabilité étant caractérisés. Ensuite, une étude de la cohérence des condensats et en particulier l’effet des interactions a été présenté. Les données sont comparées à un modèle numérique. Dans un deuxième temps, sont présentés quelques outils développés pour la production et la manipulation d’atomes sur puce. Il est d’abord démontré la réalisation d’un puissancemètre atomique pour la micro-onde et estimé les limites actuelles de ses performances. Puis que des champs micro-onde ayant des gradients élevés permettent la manipulation cohérente de l’état externe des atomes. Enfin, un nouveau dispositif pour la production d’un nuage d’atomes froids à haute cadence est présenté et caractérisé, basé sur la modulation rapide de la pression de rubidium dans une cellule.

Le projet ForCa-G (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. Dans cette région, la force prédominante devient celle de Casimir-Polder qui est une force de type électromagnétique s’exerçant entre un atome neutre et une surface. De plus, une mesure précise de cette force permettrait la poursuite de la recherche d’éventuelles déviations à la loi de Newton à courte distance, prédites dans le cadre de théories de l’unification des quatre interactions fondamentales.

Le travail réalisé durant cette thèse constitue une démonstration de principe de ce projet, en utilisant des atomes situés loin du miroir. Ceux-ci sont préalablement refroidis afin d’être piégés dans une multitude de puits de potentiel générés par une onde stationnaire optique. L’incrément en énergie potentielle de pesanteur est alors mesuré, puis représenté par la fréquence de Bloch υ_B.

Pour cela, le principe de superposition d’états quantiques est utilisé afin de générer un état d’ubiquité permettant aux atomes d’être dans deux puits différents du réseau au même instant. Enfin, de l’évolution de leur phase atomique, la différence de potentiel expérimentée par les atomes dans cet interféromètre atomique est déterminée.

Différents interféromètres atomiques dans ce réseau optique ont été étudiés, caractérisés en terme de sensibilité et d’effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Un des interféromètres étudiés, l’interféromètre Accordéon, a permis d’obtenir une sensibilité relative de σ(δυ_B/υ_B) = 9,0×10⁻⁶ à 1 s, qui s’intègre jusqu’à σ(δυ_B/υ_B) = 1,9×10⁻⁷ en 2 800 s. Cela constitue une mesure de l’accélération de la pesanteur g à l’état de l’art des gravimètres atomiques piégés.

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Le travail de thèse a été la caractérisation d’un nouveau gyromètre à ondes de matière de très grande sensibilité. L’utilisation d’une seule source d’atomes de césium refroidis par laser dans une configuration de type fontaine permet d’atteindre des temps d’interaction proches de 1 s.

La manipulation cohérente des atomes a été réalisée par des transitions Raman stimulées : une nouvelle séquence d’interrogation à quatre impulsions, insensible à l’accélération continue, a permis d’atteindre une aire macroscopique de 2,4 cm² sensible à l’effet Sagnac et le meilleur niveau des gyromètres à atomes froids. La taille de l’instrument le rend particulièrement sensible aux vibrations : une isolation passive acoustique et sismique a été développée pour découpler le capteur de son environnement. La mesure de l’accélération résiduelle des miroirs permet de corriger a posteriori la phase atomique, et améliore ainsi la sensibilité de l’instrument.

Une nouvelle technique de mesure sans temps mort a été démontrée : celle-ci permet d’améliorer d’un ordre de grandeur la sensibilité d’un interféromètre de type horloge, et présente de potentielles applications pour d’autres classes de capteurs inertiels atomiques ainsi que pour la navigation inertielle.

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Les travaux de cette thèse ont porté sur l’étude de la spectroscopie CPT de cellules de vapeur de césium. À partir d’une horloge atomique CPT classique générant des signaux à faibles contrastes CPT, un nouveau dispositif expérimental a été développé afin de détecter de meilleurs contrastes sur les résonnances CPT en utilisant la technique dites du push-pull optical pumping (PPOP). Une analyse théorique de la technique PPOP a été réalisée et a permis sa comparaison avec la technique standard dites du schéma d’interaction ligne par ligne (line per line interaction scheme). La technique PPOP a permis de montrer un signal de la résonance CPT ayant un contraste de 78 % en régime continue, ce qui représente une amélioration de presque deux ordres de grandeurs comparée à la technique standard.

L’impact de quelques paramètres expérimentaux agissant sur la largeur de la résonnance CPT a également été étudié. Afin de réduire cette largeur, une nouvelle architecture originale du système laser a été développée et a combiné pour la première fois la technique PPOP et l’interrogation Ramsey pour la détection de franges étroites de CPT-Ramsey avec un fort contraste, ouvrant ainsi la voie vers le développement de nouvelles horloges CPT de très hautes performances.

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Le travail de thèse consiste en la conception et la réalisation d’un montage expérimental pour le développement d’un interféromètre à atomes froids de ⁸⁷Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l’objectif final étant la réalisation d’un capteur inertiel de rotations. La théorie du confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire a ainsi été examinée. Une telle étude a permis d’identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d’un paquet d’onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de microfils employés pour créer ce potentiel ,et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse, il est proposé des solutions originales à ces problèmes sur la base des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, une nouvelle expérience d’atomes froids a été montée dont la principale caractéristique est d’être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. L’équipe a, au cours de ce travail, assemblé un système à ultravide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l’interféromètre atomique, ainsi que toute l’électronique de contrôle de cette expérience.

La thèse présente les résultats expérimentaux obtenus au cours du développement et des essais au sol du modèle de vol de l'horloge à atomes froids PHARAO. PHARAO est le premier étalon primaire de fréquence dédié aux applications spatiales et est développé par l'agence spatiale française : le CNES. PHARAO est un des principaux instruments de la mission spatiale de l'ESA (Agence Spatial Européenne) : ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) dont le lancement est prévu en 2016. La mission est basée sur des comparaisons de temps et de fréquence de très hautes performances entre PHARAO et un ensemble d’horloges basées au sol, pour effectuer des tests en physique fondamentale. La charge utile sera installée sur un module extérieur de la Station spatiale internationale (ISS).

Après une introduction sur les horloges atomiques et un résumé de la mission ACES, l'architecture de PHARAO, optimisée pour la microgravité, et son fonctionnement sont décrits. Puis, cette thèse présente les mesures et l'analyse de la stabilité de fréquence de l’horloge. Au sol, la stabilité de fréquence est mesurée à un niveau de 3,1×10^–13t^–1/2, cette valeur étant en accord avec les différentes sources de bruit ; en microgravité, la stabilité atteindra 10^–13t^–1/2. Pour terminer, les principaux déplacements de fréquence sont analysés. Une étude détaillée est donnée sur les propriétés des blindages magnétiques, leurs hystérésis et la conception d’une compensation magnétique active. L'objectif est de réduire l'incertitude de mesure du second ordre de l’effet Zeeman au niveau de quelques 10^–17. La détermination de la température de l’environnement des atomes est également analysée, avec l'objectif d'atteindre une incertitude sur le déplacement de fréquence due au rayonnement du corps noir dans la gamme de 10^–17. Un budget préliminaire d’incertitude de la fréquence de l’horloge au sol est évalué à 1,1×10^–15. Ce budget est compatible avec un objectif de 3×10^–16 en microgravité. La prochaine étape verra l’assemblage tous les autres instruments ACES pour un lancement prévu en 2016

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Cette thèse a pour objet le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Il démontre une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétroréflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Ainsi, une tête de senseur très compacte est développée, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1 560 nm pour interroger des atomes de rubidium-87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, un système de réjection du bruit de vibration a été développé, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, ce travail de thèse a démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 s, qui atteint après 300 s d’intégration. Ce dispositif a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC, 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

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Le codage spectral ultralarge bande (ULB) appliqué aux dispositifs à ondes élastiques de surface (SAW), exploités comme capteurs passifs interrogeables par liaison radiofréquence, augmente le nombre de données stockées et échangées et améliore la résolution sur la mesure. L'approche proposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz – 2,5 GHz réglementée par la norme de communication radio-fréquence américaine, après prototypage dans une bande de fréquences plus basses de 200 MHz - 400 MHz. La puissance autorisée sur cette première bande est de 41,3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d'insertion de l'ordre de 30 dB, la distance d'interrogation établie par application de l'équation du RADAR est théoriquement limitée à environ 1 m. Afin d'avoir la portée la plus grande possible, cette thèse a permis d’étudier plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence, pour limiter les pertes d'insertion. À l'aide d'un lecteur embarqué, des mesures en température sans fils simultanées de trois capteurs ont été réalisées, apportant une solution au problème de collision. La résolution en température atteinte est de 0,1 °C pour une distance de mesure de 20 cm. Ces résultats montrent que la communication ULB est aussi une solution pour l'interrogation sans fils en milieux réflectifs aux ondes radio fréquences. À l'aide d'un synthétiseur de fonction arbitraire et d'un oscilloscope, il est montré expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur les dispositifs SAW LFM et qu'il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal sur bruit.

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http://www.theses.fr/2014BESA2070/document