Mesurer en continu avec les atomes froids

De nouvelles perspectives d'applications pour la navigation inertielle, la physique fondamentale et les géosciences.

Jeudi, 19 mai 2016

Le refroidissement d’atomes par laser a permis une révolution dans le domaine des technologies quantiques. Il a par exemple conduit à améliorer les performances des horloges atomiques de plusieurs ordres de grandeur, et est utilisé pour réaliser des capteurs de rotation et d’accélération ultra-sensibles. Cependant, les mesures pratiquées sur les nuages d’atomes froids sont discontinues : la phase de refroidissement des atomes représente une durée non négligeable de l’expérience lors de laquelle la mesure est interrompue. Pour un capteur inertiel, cette perte d’information était jusqu’à ce jour un facteur limitant pour de nombreuses applications. Une équipe de chercheurs du LNE-SYRTE a démontré une méthode permettant de dépasser cette limite technologique, par une idée astucieuse et une délicate maîtrise technique. Grâce à ces travaux, les performances des gyromètres à atomes froids ont été améliorées d’un facteur trente, ouvrant des possibilités nouvelles en géoscience et en physique fondamentale.   

Un gyromètre est un capteur de rotation essentiel dans de nombreuses applications, telle que la navigation. Les instruments les plus précis à l’heure actuelle sont fondés sur des interférences entre ondes lumineuses se propageant en sens inverse dans un circuit optique, comme un enroulement de fibre optique par exemple. En présence d’une rotation du dispositif, une onde acquiert un retard par rapport à l’autre, ce qui conduit à une variation du signal lumineux proportionnel à la vitesse de rotation. Il est possible de concevoir des dispositifs utilisant des interférences entre ondes de matière (électron, neutron, atome, etc.), plutôt que des interférences d’ondes lumineuses (photon). La sensibilité de ce type de gyromètres augmentant avec l’énergie de la particule mise en jeu, les interféromètres à atomes ont un potentiel de sensibilité de plusieurs ordres de grandeur plus élevé que les interféromètres à photons. Les interféromètres à atomes froids, où les atomes sont ralentis à quelques cm/s, représentent donc une voie prometteuse pour des capteurs de très grande sensibilité. Certains systèmes sont d’ores et déjà déjà compétitifs par rapport aux systèmes classiques et désormais commercialisés.

Cependant ces instruments avaient jusqu’à présent un inconvénient majeur : durant la phase de l’expérience où les atomes sont refroidis par laser, on ne peut accéder à la quantité que l’on cherche à mesurer ! Ces temps « morts » résultent donc en une perte d’information précieuse. C’est ce verrou technique qui vient d’être levé par une équipe de chercheurs du LNE-SYRTE (Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS,  Sorbonne Universités, UPMC). Pour ce faire, les chercheurs ont mis en œuvre une idée simple consistant à entrelacer la phase de  refroidissement et la phase de mesure de rotation, en prenant soin de correctement raccorder les mesures successives, d’où le nom de « mesures jointives » donné à leur méthode. La difficulté technique consistait à faire en sorte que la mesure ne soit pas perturbée par la préparation de l’échantillon suivant. Elle a été levée en sélectionnant astucieusement l’état quantique des atomes refroidis avant qu’ils ne pénètrent dans la zone de mesure, et en synchronisation finement leur détection en sortie de cette zone.

Le dispositif expérimental du SYRTE utilise des superpositions quantiques où un atome est séparé en deux sur une distance de l’ordre du centimètre. Une telle superposition quantique macroscopique a permis aux chercheurs de démontrer l’efficacité de la méthode jointive sur un instrument ultra-sensible et d’atteindre un niveau de performance trente fois meilleur que le précédent record. Le gyromètre du SYRTE permet ainsi de mesurer des variations infimes de vitesse de rotation, 50 000 fois plus petites que la vitesse de rotation terrestre moyenne, en trois heures de mesure.


Illustration de la méthode de mesure jointive dans un gyromètre à atomes froids. Les traits grisés représentent les lasers utilisés pour séparer et recombiner les ondes de matière empruntant différents chemins dans les interféromètres (bleu, rouge, vert, jaune). Les mesures sont raccordées par la méthode jointive qui permet d'annuler les temps morts entre cycles successifs. Crédit : Rémi Geiger, SYRTE
Ces résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, ouvrent de nouvelles perspectives d’applications des capteurs à atomes froids pour la navigation, la physique fondamentale, ainsi qu’en géoscience pour la détection fine de mouvements tectoniques. Encore plus fascinant, les chercheurs travaillent déjà à utiliser ces nouvelles méthodes pour mettre au point de futurs détecteurs terrestres d’ondes gravitationnelles utilisant des atomes refroidis par laser.

Contact-chercheur :
Rémi Geiger, SYRTE, 01 40 51 20 63, remi [dot] geiger [at] obspm [dot] fr

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