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We propose in this White Paper a concept for a space experiment using cold atoms to search for ultra-light dark matter, and to detect gravitational waves in the frequency range between the most sensitive ranges of LISA and the terrestrial LIGO/Virgo/KAGRA/INDIGO experiments. This interdisciplinary experiment, called Atomic Experiment for Dark Matter and Gravity Exploration (AEDGE), will also complement other planned searches for dark matter, and exploit synergies with other gravitational wave detectors. We give examples of the extended range of sensitivity to ultra-light dark matter offered by AEDGE, and how its gravitational-wave measurements could explore the assembly of super-massive black holes, first-order phase transitions in the early universe and cosmic strings. AEDGE will be based upon technologies now being developed for terrestrial experiments using cold atoms, and will benefit from the space experience obtained with, e.g., LISA and cold atom experiments in microgravity. This paper is based on a submission (v1) in response to the Call for White Papers for the Voyage 2050 long-term plan in the ESA Science Programme. ESA limited the number of White Paper authors to 30. However, in this version (v2) we have welcomed as supporting authors participants in the Workshop on Atomic Experiments for Dark Matter and Gravity Exploration held at CERN: ({\tt https://indico.cern.ch/event/830432/}), as well as other interested scientists, and have incorporated additional material.
We report the preparation of Bose-Einstein condensates (BECs) by integrating laser cooling with a grating magneto-optical trap (GMOT) and forced evaporation in a magnetic trap on a single chip. This new approach allowed us to produce a $6 \times 10^4$ atom Bose-Einstein condensate of rubidium-87 atoms with a single laser cooling beam. Our results represent a significant advance in the robustness and reliability of cold atom-based inertial sensors, especially for applications in demanding field environments.
The effective control of atomic coherence with cold atoms has made atom interferometry an essential tool for quantum sensors and precision measurements. The performance of these interferometers is closely related to the operation of large wave packet separations. We present here a novel approach for atomic beam splitters based on the stroboscopic stabilization of quantum states in an accelerated optical lattice. The corresponding Floquet state is generated by optimal control protocols. In this way, we demonstrate an unprecedented Large Momentum Transfer (LMT) interferometer, with a momentum separation of 600 photon recoils ($600\hbar k$) between its two arms. Each LMT beam splitter is realized in a remarkably short time (2 ms) and is highly robust against the initial velocity dispersion of the wave packet and lattice depth fluctuations. Our study shows that Floquet engineering is a promising tool for exploring new frontiers in quantum physics at large scales, with applications in quantum sensing and testing fundamental physics.
Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.
Am 27. Juni starb Christoph (Chris) Meier, international anerkannter Spezialist für die Quantendynamik komplexer molekularer Systeme.
Sujets
Mesures de précision
Diode-pumped solid state lasers
Diffraction de Bragg
Condensats
Aharonov-Casher
Atome de lithium
Non reciprocal effect
Floquet formalism
Cohérence
Condensates
Atomic interferometry
Phase géométrique
Aharonov-Bohm
Birefringences
Bose Einstein condensate
Lithium atoms
Atom optics
Experiment
Atom interferometer
Vibrations
Fringe phase shift
Diffraction
Diffraction laser
Fringe contrast
Effet Stark
Franges d'interférence
Dark matter
Frequency metrology
Anisotropy
Aharononov-Bohm
Cosmic string
Matter wave
Frequency doubling
Lithium
Polarizability
Diffraction atomique
Coupled oscillators
Axion
FIELD
Magneto-optics
CERN Lab
Bose-Einstein condensate
Decoherence
Critical phenomena
Laser cooling of atoms
Electric polarizability
Experimental results
Atom diffraction
Close-coupling
Cold Atoms
Ring cavity
Formalisme de Floquet
Interferometry
CAVITY
Friction
Muonic hydrogen
Atom inerteferometry
Diffraction atomique par laser
Atom Interferometry
Cold atoms
Compensation
Collisions atome-atome
Adsorbats moléculaires
Zeeman effect
Atom
Interférométrie atomique
Accurate measurement
He-McKellar-Wilkens
Damping
Atomes froids
Topological phase
Sagnac effect
Parallel velocity
Effet Aharonov-Bohm
Atom interferometers
Aharonov-Bohm effect
Amortissement
Atom Optics
Condensats de Bose-Einstein
Atom chip
Stark effect
Black hole
Electro-optics
Detector sensitivity
Atom interferometry
Effet Zeeman
Cooling effect
Optique atomique
Bragg diffraction
Optical pumping
Diffraction d'une onde atomique
Polarisabilité
Laser diffraction
Coherence
Birefringence
Détecteur à fil chaud
Atomic Bloch states
ATOMS
Condensat de Bose-Einstein
Atomic polarisability