Les phases topologiques ou géométriques ne sont mesurables que par interférométrie et ce sont des effets purement quantiques. La famille des phases topologiques d'origine électromagnétique est formée de la phase Aharonov-Bohm prédite en 1959 et des phases Aharonov-Casher (AC) et He-McKellar-Wilkens (HMW) prédites en 1984 et 1993-1994 respectivement. Si la phase Aharonov-Bohm et la phase AC ont eté rapidement mises en évidence par des expériences, la phase HMW n'a été détectée pour la première fois qu'en 2011, par notre équipe au cours de la thèse de S. Lepoutre. La phase AC apparaît quand un dipôle magnétique interagit avec un champ électrique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle et la phase HMW, reliée à la phase AC par la dualité de Maxwell, apparaît quand un dipôle électrique interagit avec un champ magnétique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle.
Cette thèse présente la mesure de ces deux phases à l'aide d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder fonctionnant avec l'atome de lithium 7Li et utilisant la diffraction de Bragg par des ondes stationnaires laser pour la manipulation cohérente de cet atome. Je décris d'abord le pompage optique du jet atomique de lithium dans un seul sous-niveau Zeeman-hyperfin F=2,mF= +2 (ou -2) et la caractérisation, par une technique originale, de son efficacité qui est voisine de 95+/-5%. Ce pompage a rendu pratiquement indétectables les effets systématiques qui avaient compliqué la première détection de la phase HMW. Je présente ensuite les mesures des phases AC et HMW qui sont petites, voisines de 70 et 40 milliradians respectivement, dans les conditions de notre expérience. Malgré cette petitesse, nous avons pu les mesurer avec une incertitude de l'ordre de $10$%. En faisant varier la vitesse moyenne du jet atomique entre 750 m/s et 1500 m/s environ, nous avons pu vérifier que ces deux phases sont bien indépendantes de la vitesse ce qui prouve leur caractère topologique. |
Topological or geometrical phases can only be measured with an interferometer and are purely quantum effects. The family of topological phases of electromagnetic origin consists of the Aharonov-Bohm phase predicted in 1959 and of the Aharonov-Casher (AC) and He-McKellar-Wilkens (HMW) phases predicted respectively in 1984 and 1993-1994. The Aharonov-Bohm phase and the AC phase have been quickly highlighted by experiments while the HMW phase was detected for the first time in 2011 by our team during the thesis of S. Lepoutre. The AC phase appears when a magnetic dipole interacts with an electric field perpendicular to the velocity and the dipole. The HMW phase connected to the AC phase by duality of the Maxwell equations, appears when an electric dipole interacts with a magnetic field perpendicular to its speed and to the dipole.
This thesis presents the measurements of these two phases with an atomic Mach-Zehnder interferometer operating with the lithium atom 7Li and using Bragg diffraction by standing waves for the coherent manipulation of the atom. I first describe the optical pumping of the atomic beam of lithium in a single Zeeman sublevel-hyperfine F = 2,mF = 2 (or -2) and its characterization by a novel technique: its efficiency is close to 95+/-5 %. This pumping has made undetectable the systematic effects that had complicated the first detection of the HMW phase. I then present measurements of AC and HMW phases which are small, close to 70 and 40 milliradians respectively, in terms of our experience. Despite these small values, we were able to measure it with an uncertainty of about 10%. By varying the average speed of the atomic beam between 750m/s and 1500 m/s, we have checked that these two phases are independent of the speed which proves their topological character. |