Avancement du projet MIGA vers des mesures de strain de gravité par interférométrie atomique

Le projet MIGA se trouve a mi-chemin entre la physique atomique et l'astronomie par ondes gravitationnelles. Basée sur la technologie d'interférométrie atomique, ce projet ambitieux vise à construire un strainmeter de gravité sous-terrain, dans le laboratoire à bas bruit LSBB. Au coeur d'un laboratoire essentiellement dédié à la géophysique, MIGA complémentera le réseau de capteurs déjà en place tout en servant de banc d'essai pour étudier la possibilité de construire un détecteur d'ondes gravitationnelles à basse fréquence basée sur l'interférométrie atomique.Ce manuscrit présente des travaux théoriques et expérimentaux apportant des éléments de compréhension, plus ou moins indépendants, participant à l'avancement du projet.Dans un premier temps, nous estimons, par une étude théorique, l'amplitude du strain de gravité que l'on peut attendre sur le site de construction de l'instrument et étudions leur détectabilité par l'instrument MIGA.Dans un deuxième temps nous présentons l'architecture et le principe de fonctionnement du principal organe de MIGA qui est constituté d'une source d'atomes froids de Rubidium 87 et d'un système laser associé, puis nous présentons sa caractérisation expérimentale.Profitant des performances de la source d'atomes froids, la dernière partie du manuscrit démontre l'obtention d'interférences atomiques sensibles aux effets inertiels, utilisant des transitions de Bragg d'ordre élevé, réalisées grâce au champ lumineux résonant dans un résonateur optique.The MIGA project lies at the crossroad between atomic physics and gravitational wave astronomy. Based on atom interferometry, this ambitious project aims at building a gravity strainmeter underground in the low noise laboratory LSSB. Immersed in a facility dedicated to geophysics, MIGA will complement the sensor network already deployed on site as well as being a test bench to study the feasibility of building a low frequency gravitational wave detector based on atom interferometry.This manuscript presents theoretical and experimental works, more or less independent, that bring understanding to the whole project.We first estimate the amplitude of gravity strain to be expected on the building site and study their detectability by the MIGA instrument.We then present the functioning of the core of the instrument that is a 87Rb cold atom source and its laser system and their experimental characterization.Taking advantage of the atom source capabilities, the last part of the manuscript demonstrates Bragg interferometry inside a wide waist optical resonator

Progress of the MIGA project toward gravity strain measurements with atom interferometry

Le projet MIGA se trouve a mi-chemin entre la physique atomique et l'astronomie par ondes gravitationnelles. Basée sur la technologie d'interférométrie atomique, ce projet ambitieux vise à construire un strainmeter de gravité sous-terrain, dans le laboratoire à bas bruit LSBB. Au coeur d'un laboratoire essentiellement dédié à la géophysique, MIGA complémentera le réseau de capteurs déjà en place tout en servant de banc d'essai pour étudier la possibilité de construire un détecteur d'ondes gravitationnelles à basse fréquence basée sur l'interférométrie atomique.Ce manuscrit présente des travaux théoriques et expérimentaux apportant des éléments de compréhension, plus ou moins indépendants, participant à l'avancement du projet.Dans un premier temps, nous estimons, par une étude théorique, l'amplitude du strain de gravité que l'on peut attendre sur le site de construction de l'instrument et étudions leur détectabilité par l'instrument MIGA.Dans un deuxième temps nous présentons l'architecture et le principe de fonctionnement du principal organe de MIGA qui est constituté d'une source d'atomes froids de Rubidium 87 et d'un système laser associé, puis nous présentons sa caractérisation expérimentale.Profitant des performances de la source d'atomes froids, la dernière partie du manuscrit démontre l'obtention d'interférences atomiques sensibles aux effets inertiels, utilisant des transitions de Bragg d'ordre élevé, réalisées grâce au champ lumineux résonant dans un résonateur optique.The MIGA project lies at the crossroad between atomic physics and gravitational wave astronomy. Based on atom interferometry, this ambitious project aims at building a gravity strainmeter underground in the low noise laboratory LSSB. Immersed in a facility dedicated to geophysics, MIGA will complement the sensor network already deployed on site as well as being a test bench to study the feasibility of building a low frequency gravitational wave detector based on atom interferometry.This manuscript presents theoretical and experimental works, more or less independent, that bring understanding to the whole project.We first estimate the amplitude of gravity strain to be expected on the building site and study their detectability by the MIGA instrument.We then present the functioning of the core of the instrument that is a 87Rb cold atom source and its laser system and their experimental characterization.Taking advantage of the atom source capabilities, the last part of the manuscript demonstrates Bragg interferometry inside a wide waist optical resonator

Avancement du projet MIGA vers des mesures de strain de gravité par interférométrie atomique

The MIGA project lies at the crossroad between atomic physics and gravitational wave astronomy. Based on atom interferometry, this ambitious project aims at building a gravity strainmeter underground in the low noise laboratory LSSB. Immersed in a facility dedicated to geophysics, MIGA will complement the sensor network already deployed on site as well as being a test bench to study the feasibility of building a low frequency gravitational wave detector based on atom interferometry.This manuscript presents theoretical and experimental works, more or less independent, that bring understanding to the whole project.We first estimate the amplitude of gravity strain to be expected on the building site and study their detectability by the MIGA instrument.We then present the functioning of the core of the instrument that is a $^{87}$Rb cold atom source and its laser system and their experimental characterization.Taking advantage of the atom source capabilities, the last part of the manuscript demonstrates Bragg interferometry inside a wide waist optical resonator.Le projet MIGA se trouve a mi-chemin entre la physique atomique et l'astronomie par ondes gravitationnelles. Basée sur la technologie d'interférométrie atomique, ce projet ambitieux vise à construire un strainmeter de gravité sous-terrain, dans le laboratoire à bas bruit LSBB. Au coeur d'un laboratoire essentiellement dédié à la géophysique, MIGA complémentera le réseau de capteurs déjà en place tout en servant de banc d'essai pour étudier la possibilité de construire un détecteur d'ondes gravitationnelles à basse fréquence basée sur l'interférométrie atomique.Ce manuscrit présente des travaux théoriques et expérimentaux apportant des éléments de compréhension, plus ou moins indépendants, participant à l'avancement du projet.Dans un premier temps, nous estimons, par une étude théorique, l'amplitude du strain de gravité que l'on peut attendre sur le site de construction de l'instrument et étudions leur détectabilité par l'instrument MIGA.Dans un deuxième temps nous présentons l'architecture et le principe de fonctionnement du principal organe de MIGA qui est constituté d'une source d'atomes froids de Rubidium 87 et d'un système laser associé, puis nous présentons sa caractérisation expérimentale.Profitant des performances de la source d'atomes froids, la dernière partie du manuscrit démontre l'obtention d'interférences atomiques sensibles aux effets inertiels, utilisant des transitions de Bragg d'ordre élevé, réalisées grâce au champ lumineux résonant dans un résonateur optique

Multi-photon Atom Interferometry via cavity-enhanced Bragg Diffraction

Optical cavities are long expected as powerful tools for the realization of large momentum beam splitters for matter waves. In this letter, we realize a multi-photon atom interferometer driven via Bragg diffraction in an optical resonator. The key element of this demonstration is the use of a degenerate cavity to mediate the light-matter interaction which provides a large interrogation mode (1/e^2 diameter of 5.2 mm) and makes the method applicable to a vast class of measurement geometries and atom sources. In view of a future application for gravitational waves detection, we use, as a first demonstration, a standard sub-Doppler cooled atomic source coupled with a 80 cm horizontal resonator and obtain a momentum transfer of up to 2n = 8ħk. Additionally, by varying the tilt of experiment, and thus the projection of gravity, we study the inertial sensitivity of this setup using significantly reduced optical power (<1 mW) due to the optical gain of the cavity. This work opens new perspectives not only for the realization of high sensitivity multi-axis inertial atom sensors, but also for the future realization of hybrid atom/optical gravitational wave detectors

A control hardware based on a field programmable gate array for experiments in atomic physics

Experiments in Atomic, Molecular, and Optical (AMO) physics require precise and accurate control of digital, analog, and radio frequency (RF) signals. We present control hardware based on a field programmable gate array core that drives various modules via a simple interface bus. The system supports an operating frequency of 10 MHz and a memory depth of 8 M (2$^{23}$) instructions, both easily scalable. Successive experimental sequences can be stacked with no dead time and synchronized with external events at any instructions. Two or more units can be cascaded and synchronized to a common clock, a feature useful to operate large experimental setups in a modular way

Characterizing Earth gravity field fluctuations with the MIGA antenna for future Gravitational Wave detectors

Fluctuations of the earth's gravity field are a major noise source for ground-based experiments investigating general relativity phenomena such as Gravitational Waves (GWs). Mass density variations caused by local seismic or atmospheric perturbations determine spurious differential displacements of the free falling test masses, what is called Gravity Gradient Noise (GGN); it mimics GW effects. This GGN is expected to become dominant in the infrasound domain and must be tackled for the future realization of observatories exploring GWs at low frequency. GGN will be studied with the MIGA experiment, a demonstrator for low frequency GW detection based on atom interferometry - now in construction at the low noise underground laboratory LSBB in France. MIGA will provide precise measurements of local gravity, probed by a network of three free-falling atom test masses separated up to 150 m. We model the effect of GGN for MIGA and use seismic and atmospheric data recorded at LSBB to characterize their impact on the future measurements. We show that the antenna will be able to characterize GGN using dedicated data analysis methods

A FPGA-based control hardware for experiments in AMO physics

Experiments in Atomic, Molecular, and Optical (AMO) physics require precise and accurate control of digital, analog, and radio frequency (RF) signals. We present a control hardware based on a FPGA core which drives various modules via a simple interface bus. The system supports an operating frequency of 10 MHz and a memory depth of 8 M (2^23) instructions, both easily scalable. Successive experimental sequences can be stacked with no dead time and synchronized with external events at any instructions. Two or more units can be cascaded and synchronized to a common clock, a feature useful to operate large experimental setups in a modular way