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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.

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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.

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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.

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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.

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Am 27. Juni starb Christoph (Chris) Meier, international anerkannter Spezialist für die Quantendynamik komplexer molekularer Systeme.

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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

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