Ce mémoire présente la conception et 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. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous 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 micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide 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. / This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment.

Eine Reihe fundamentaler Problemstellungen setzt die genaue Kenntnis der Erdbeschleunigung g voraus, z.B. die Neudefinition des Kilogramms im laufenden Watt-Waage-Projekt. Des Weiteren sind Gravitationsmessungen ein herausragendes Werkzeug der geophysikalischen Forschung, machen sie doch Phänomene vom oberen Erdreich bis hinab in den Erdkern zugänglich. Für Absolutmessungen geeignete Quanten-Sensoren mit höchster Präzision sind deshalb Gegenstand aktueller Entwicklungen. Diese Arbeit beschreibt die Planung und Implementierung eines solchen Sensors, der für eine überlegene absolute Genauigkeit von fünf Teilen in 10^10, zu erreichen in Messungen von 24 h, ausgelegt ist. Ein Merkmal, das dieses Instrument vor früheren Entwicklungen auszeichnet, ist seine Mobilität, die Anwendungen im Feld sowie Vergleichsmessungen mit anderen Gravimetern ermöglicht. Die quantenmechanische Wellennatur von (Rubidium-) Atomen wird genutzt, um durch kohärente Teilung, Reflexion und Wiedervereinigung der sie konstituierenden Wellenpakete mit Hilfe von Lichtpulsen ein Materiewelleninterferometer darzustellen. Auf ein Ensemble lasergekühlter Atome im freien Fall angewandt, kann deren Empfindlichkeit auf Inertialkräfte genutzt werden, um hochsensible Messungen der auftretenden Beschleunigungen zu erreichen. Eine Messpräzision von 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) wird demonstriert, die ausreicht, um g in 15 h mit einer statistischen Ungewissheit von 0.8 nm s^(-2) zu bestimmen; dies ist um einen Faktor acht besser, als mit den besten klassischen Absolutgravimetern üblich. Ein Vergleich mit dem Deutschen Schweregrundnetz ergibt eine Abweichung von 260 nm s^(-2) bei einer Ungewissheit von 520 nm s^(-2) in den systematischen Einflüssen. Deren wahrscheinliche Ursachen sowie geeignete Gegenmaßnahmen werden identifiziert. / Precise measurements of Earth''s gravitational acceleration $g$ are important for a range of fundamental problems - e.g. the Watt balance as an approach for a new definition of the kilogram - and a great tool to investigate geophysical phenomena reaching from the topmost layers of soil to the very core of our planet. Recently, research efforts have been made to develop dedicated quantum sensors capable of such measurements with very high precision and accuracy. This thesis describes the design and implementation of such a sensor, aiming at a superior accuracy of 0.5 ppb, resolvable in measurements of 24 h. A feature distinguishing this device from previous work is its mobility, allowing for comparison with other state-of-the-art instruments, and for applications in field use in various locations. Rubidium atoms are laser-cooled and launched on a free-fall trajectory. Exploiting the wave nature of quantum particles, coherent manipulation with light pulses is used to split, reflect and recombine the atoms'' wave-packets. The resulting matter-wave interferometer is highly susceptible to inertial forces and allows for sensitive measurements of accelerations. Inertial sensing with a precision of 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) was demonstrated, resulting in a measurement of g with a statistical uncertainty of 0.8 nm s^(-2) in 15 h, surpassing a conventional state-of-the-art absolute gravimeter by a factor of eight. Comparison with the German gravity reference net revealed a discrepancy of 260 nm s^(-2), well covered by the combined systematic uncertainties of 520 nm s^(-2). Likely causes for this deviation are identified and suitable countermeasures are proposed.

Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter. / Since 1991, matter wave interferometry has been used in many laboratories for a variety of fundamental physics experiments, e.g. measurement of the fine-structure and gravity constants or equivalence principle tests. This new technique is also ideally suited for high-accuracy geophysical gravity measurements. However, due to the complexity of these experiments they were so far confined to laboratory environments. Only in recent years efforts have been undertaken to develop mobile atom interferometers. These new sensors now open up the possibility to perform on-site high-precision measurements of rotations, gravity gradients as well as absolute accelerations. This work reports on the design, construction and first tests of an absolute gravimeter. It is based on interfering ensembles of laser cooled Rb87 atoms in a one meter high atomic fountain configuration. Local gravity is measured by applying three Raman light pulses while the atoms are in free fall, thereby splitting and recombining the atomic wave packets. The resulting interference fringes are sensitive to the movement of the atoms within a gravitational potential. We have measured the value of local gravity g at a resolution of one part in 10^10 at an integration time of 12 hours, or 2.2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). This was high enough to be sensitive to a number of time varying gravity effects like tides, ocean loading or changes in gravity caused by air pressure. In a comparison under similar measurement conditions, the instrument has surpassed the performance of conventional mobile gravimeters by almost one order of magnitude.

Das gravimetrische Atominterferometer (GAIN) ist ein transportables Atominterferometer welches spezifisch für hochpräzise Schweremessungen in der Geodäsie und Geophysik entwickelt wurde. Es basiert auf einer Rubidium Atomfontäne, stimulierten Ramanübergängen und einer 3-Puls Mach-Zehnder Interferometriesequenz. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung und Anwendung von GAIN als transportables Gravimeter für Absolutschweremessungen an geodätischen Observatorien welche über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen. Dabei wurden eine Absolutgenauigkiet von 29 nm/s^2, eine Langzeitstabilität von 0.4 nm/s^2 sowie eine Sensitivität von 82 nm/s^2 in einer Sekunde erreicht. Die gemessene Genauigkeit und Langzeitstabilität stellen, nach dem Wissen des Authors, die bis heute besten publizierten Werte für ein transportablen Atominterferometer dar und repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Gravimetrie. Um dies zu erreichen wurden umfangreiche Verbesserungen am Gerät umgesetzt und eine ausführliche Analyse der systematischen Messabweichungen durchgeführt. Unter anderem wurden ein System zur Kompensation von Corioliskräften und Ausrichtungsfehlern, ein verbessertes Schwingungsisolationssystem zur nachträglichen Korrektur von Umgebungsvibrationen und eine magnetische Abschirmung instrumenteller Streufelder implementiert. Darüber hinaus wurden insgesamt vier Messkampagnen in Berlin, sowie an den geodätischen Observatorien in Wettzell, Deutschland und Onsala, Schweden durchgeführt, um GAIN mit anderen hochmodernen Absolut- und Relativgravimetern zu vergleichen. Der direkte Vergleich zwischen GAIN und anderen Gravimetern stellt den prinzipbedingten Vorteil der Atominterferometrie durch die Kombination aus Absolutgenauigkeit, Stabilität und Langzeitbetrieb klar hervor. Dies wurde in der Arbeit durch die um einen Faktor 2-5 verbesserte Kalibrierung des Skalenfaktor von zwei supraleitenden Gravimetern demonstriert. / The gravimetric atom interferometer (GAIN) is a transportable setup which was specifically designed to perform high-precision gravity measurements at sites of interest for geodesy or geophysics. It is based on a Rb atomic fountain, stimulated Raman transitions and a three-pulse Mach-Zehnder atom interferometry sequence. The presented work is concerned with the optimization and application of GAIN as a transportable gravimeter in order to perform gravity measurements beyond the state-of-the-art. An absolute accuracy of 29 nm/s^2, long-term stability of 0.4 nm/s^2 and short-term noise level as low as 82 nm/s^2 in one second was achieved. The obtained long-term stability and accuracy values are, to the knowledge of the author, the best published performance of any transportable atom interferometer to date and represent a significant advancement in the field of gravimetry. A comprehensive analysis of the systematic error budget was performed to improve the accuracy and stability of the measured gravity value. Several setup improvements were implemented to this end, including Coriolis force and alignment control systems, an improved vibration isolator with post-correction and magnetic shielding which reduces spurious coupling due to stray fields. Measurement campaigns were conducted in Berlin and at geodetic observatories in Wettzell, Germany, and Onsala, Sweden, in order to compare GAIN to other state-of-the-art absolute and relative gravimeters. The direct comparison of GAIN to other absolute and relative gravimeters shows the general advantage of atom interferometers due to their unique combination of absolute accuracy, stability and robust architecture enabling continuous measurements. This was demonstrated during the presented campaigns by the improvement of the scale factor calibration of two superconducting gravimeters by a factor 2 to 5 using GAIN data.

: cette thèse porte sur l’étude d’un accéléromètre à ondes de matière fonctionnant à bord d’un avion effectuant des vols paraboliques et permettant des expériences en micro-gravité (0-g). Un interféromètre à atomes de 87Rb refroidis par laser, et dont les états quantiques sont manipulés à l’aide de transitions Raman stimulées, constitue l’élément physique du capteur. Lors de la conception du dispositif expérimental, un effort particulier a été apporté au choix d’une source laser transportable, stable, et robuste. Nous démontrons pour la première fois le fonctionnement aéroporté d’un senseur inertiel à ondes de matière, à la fois en 0-g et durant les phases de gravité des vols (1-g). Nous proposons une technique combinant le signal de l’interféromètre à celui d’accéléromètres mécaniques auxiliaires pour effectuer des mesures au dela de la dynamique intrinsèque du capteur atomique. Nous expliquons comment bénéficier du haut niveau de sensibilité de l’interféromètre dans l’avion, et indiquons des voies d’améliorations significatives de notre dispositif pour le futur. En 0-g, nous montrons une amélioration de la sensibilité de l’accéléromètre jusque 2 x 10-4 m.s-2 à une seconde, et étudions une réjection des vibrations de l’avion à l’aide d’un interféromètre à quatre impulsions Raman. L’objectif de notre projet consiste en un test du principe d’universalité de la chute libre avec un double accéléromètre à atomes de 87Rb et de 39K. Notre système laser double-espèce emploie des composants optiques fibrés aux longueurs d’onde de 1.56 et 1.54 μm, ainsi qu’un doublage de fréquence pour obtenir la lumière utile à 780 et 767 nm pour le refroidissement et la manipulation des deux atomes. Nous étudions théoriquement la sensibilité d’une mesure de leur différence d’accélération en tenant compte des vibrations de l’avion, et précisons comment une résolution de l’ordre de 10-10 m.s-2 pourra être atteinte dans le futur avec notre expérience aéroportée. / This thesis reports the study of a matter-wave accelerometer operated aboard a 0-g plane in ballistic flights. The acceleration measurements are performed with a cold 87Rb atom interferometer using stimulated Raman transitions to manipulate the quantum states of the atoms. When designing the instrument, we took special care to make the laser source transportable, robust, and stable. With our setup, we demonstrate the first operation of a matter-wave inertial sensor aboard a plane, both in 0-g and during the gravity phases of the flights (1-g). Thanks to additional mechanical accelerometers probing the coarse inertial effects, we are able to detect acceleration fluctuations much greater than the intrinsic measurement range of the interferometer. We explain our method to benefit from the full sensitivity of the matter-wave sensor in the plane, and suggest significant improvements of our system for the future. In 0-g, we show the enhancement of the accelerometer sensitivity up to 2 x 10-4 m.s-2 in one second, and investigate a rejection of the vibrations of the plane with a four Raman pulses interferometer. The goal of our project is to perform a test of the universality of free fall with two atom accelerometers using 87Rb and 39K. The laser system for the two-species interferometer is based on fiber optical components at wavelengths of 1.56 and 1.54 μm, and optical frequency doubling to generate the useful light at 780 and 767 nm to cool and manipulate the atoms. We study theoretically the sensitivity of the differential acceleration measurement by taking into account the vibrations of the plane, and discuss how a resolution of the order of 10-10 m.s-2 could be achieved in the future with our airborne experiment.