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We have observed the decoherence of a lithium atomic wave during its propagation in the presence of the radiation emitted by tungsten-halogen lamps, i.e., decoherence induced by blackbody radiation. We used our atom interferometer to detect this decoherence by measuring the atom fringe-visibility loss. The absorption of a photon excites the atom, which spontaneously emits a fluorescence photon. The momenta of these two photons have random directions, and this random character is the main source of decoherence. All previous similar experiments used small-bandwidth coherent excitation by a laser, whereas incoherent radiation involves several technical and conceptual differences. Our approach is interesting as blackbody radiation is omnipresent and decoherence should be considered if particles resonant to electromagnetic fields are used.

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This document presents a summary of the 2023 Terrestrial Very-Long-Baseline Atom Interferometry Workshop hosted by CERN. The workshop brought together experts from around the world to discuss the exciting developments in large-scale atom interferometer (AI) prototypes and their potential for detecting ultralight dark matter and gravitational waves. The primary objective of the workshop was to lay the groundwork for an international TVLBAI proto-collaboration. This collaboration aims to unite researchers from different institutions to strategize and secure funding for terrestrial large-scale AI projects. The ultimate goal is to create a roadmap detailing the design and technology choices for one or more km-scale detectors, which will be operational in the mid-2030s. The key sections of this report present the physics case and technical challenges, together with a comprehensive overview of the discussions at the workshop together with the main conclusions.

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We report here on the realization of light-pulse atom interferometers with large-momentum-transfer atom optics based on a sequence of Bragg transitions. We demonstrate momentum splitting up to 200 photon recoils in an ultracold atom interferometer. We highlight a new mechanism of destructive interference of the losses leading to a sizable efficiency enhancement of the beam splitters. We perform a comprehensive study of parasitic interferometers due to the inherent multiport feature of the quasi-Bragg pulses. Finally, we experimentally verify the phase shift enhancement and characterize the interferometer visibility loss

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Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, contribue au développement de nouveaux interféromètres atomiques fondés sur l'utilisation de condensats de Bose-Einstein et de réseaux optiques. Ces nouveaux interféromètres sont envisagés afin d'améliorer la sensibilité de capteurs inertiels, pour tester la gravitation ou de nouveaux modèles en physique des particules. La spécificité de l'interféromètre en construction au LCAR est sa grande séparation spatiale permettant de mettre en forme les potentiels électromagnétiques et gravitationnels à proximité des bras de l'interféromètre. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles mesures en physique fondamentale et en métrologie. Notre dispositif est dimensionné afin de réaliser des tests de neutralité atomique avec une nouvelle méthode fondée sur la phase d'Aharonov-Bohm Scalaire. Une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles est attendue. Dans mon manuscrit de thèse, je commence par exposer les principes d'interférométrie atomique qui ont guidé le dimensionnement de notre interféromètre. Je décris la source d'atomes ultra-froids et les premiers résultats de fontaine atomique obtenus avec nos condensats de Bose-Einstein. Pour réaliser nos interféromètres atomiques, les condensats sont manipulés par des réseaux optiques dans le régime de quasi-Bragg. Afin de mieux comprendre les limites de ces séparatrices atomiques, j'ai mené une étude numérique et expérimentale que j'expose dans le troisième chapitre. Je commente notamment l'impact lié à la nature multi-ports des interféromètres atomiques réalisés dans ce régime, qui mènent à des interféromètres parasites pouvant limiter l'estimation de la phase. Enfin, lors de ma thèse j'ai démontré des mesures de déphasage interférométrique avec une séparation en impulsion correspondant à l'impulsion de 170 photons. Ce transfert d'impulsion est au niveau de l'état de l'art pour ce type de dispositif et constitue un prérequis pour l'obtention des séparations spatiales envisagées.

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Recent developments in quantum technology have resulted in a new generation of sensors for measuring inertial quantities, such as acceleration and rotation. These sensors can exhibit unprecedented sensitivity and accuracy when operated in space, where the free-fall interrogation time can be extended at will and where the environment noise is minimal. European laboratories have played a leading role in this field by developing concepts and tools to operate these quantum sensors in relevant environment, such as parabolic flights, free-fall towers, or sounding rockets. With the recent achievement of Bose–Einstein condensation on the International Space Station, the challenge is now to reach a technology readiness level sufficiently high at both component and system levels to provide “off the shelf” payload for future generations of space missions in geodesy or fundamental physics. In this roadmap, we provide an extensive review on the status of all common parts, needs, and subsystems for the application of atom-based interferometers in space, in order to push for the development of generic technology components.

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Sujets

Zeeman effect Atomic interferometry Birefringence Topological phase Sagnac effect Compensation Decoherence Atom diffraction Diffraction de Bragg Friction Frequency doubling High precision Atom chip Fringe visibility Bose Einstein condensate Diffraction Anisotropy High finesse Experiment Accurate measurement Condensats de Bose-Einstein Non reciprocal effect Coherence Atomes froids Effet Zeeman Bose-Einstein condensate Vibrations ATOMS Interferometry Atom Parallel velocity Mesures de précision Laser cooling of atoms Diffraction laser Atom interferometry Optical pumping Close-coupling Atom optics Atomic polarisability Muonic hydrogen Aharonov-Bohm effect Geometric phases Interférométrie atomique Bragg diffraction Optique atomique Coupled oscillators Diffraction d'une onde atomique Phase géométrique Fringe contrast Cold atoms Fringe phase shift Geometrical phase Atom Optics Atom interferometers Franges d'interférence He-McKellar-Wilkens Collisions atome-atome Atom interferometer Axion Condensates Polarisabilité Frequency metrology Hydrogen Aharononov-Bohm Lithium Cohérence Diffraction atomique par laser Effet Stark Fringevisibility Atom inerteferometry Diffraction atomique Polarizability Cooling effect Aharonov-Bohm Amortissement Effet Aharonov-Bohm Détecteur à fil chaud CAVITY Electro-optics Lithium atoms FIELD Adsorbats moléculaires Laser diffraction Aharonov-Casher Atom Interferometry Atome de lithium Birefringences Condensat de Bose-Einstein Ring cavity Diode-pumped solid state lasers Experimental results Electric polarizability Damping Magneto-optics High phase sensitivity Condensats Stark effect Matter wave Glory oscillations Atomic Bloch states

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