Records de performance pour un capteur inertiel à atomes froids

Mardi, 8 janvier 2019

Les capteurs à atomes froids comme les horloges ou les gravimètres tirent leur grande sensibilité de la possibilité d’observer des atomes sur des durées de l’ordre de la seconde. Toutefois ces dispositifs ne parvenaient pas à échantillonner des signaux variant plus rapidement que la seconde. Une équipe de chercheurs du Laboratoire systèmes de référence temps-espace (SYRTE, CNRS/Observatoire de Paris/PSL Université Paris/Sorbonne Université ) a démontré une méthode pour dépasser cette limite et combiner grande sensibilité et haute cadence de mesure. Cette méthode a permis de dépasser  l’état de l’art des gyromètres atomiques et représente une étape clé pour les applications en navigation inertielle, en géoscience et en physique fondamentale.

Gauche: schéma de principe de la mesure entrelacée, où des nuages d'atomes froids (boules bleue, verte et rouge) sont injectés et circulent en parallèle dans un interféromètre atomique (traits pointillés) réalisé à l'aide d'impulsions laser (faisceaux gris). La première impulsion crée la superposition quantique correspondant aux deux chemins empruntés par les ondes atomiques, qui sont recombinées au niveau de la seconde impulsion laser. Lorsque le dispositif est animé d'une vitesse de rotation, un signal d'interférence atomique est observé. Droite : mesure d'une vitesse de rotation variant de manière sinusoïdale dans le temps. L'échelle en ordonnée est de 200 nanoradians par seconde pour une division. La sensibilité d’un dispositif de mesure s’améliore généralement avec le temps durant lequel on peut observer l’objet au cœur du dispositif. Ce principe s’illustre notamment lorsque l’on réalise une mesure de fréquence dans une horloge atomique, où la sensibilité croît proportionnellement au temps durant lequel les atomes évoluent librement entre deux impulsions électromagnétiques micro-onde. Les meilleures fontaines atomiques utilisent un temps d’observation (appelé temps « d’interrogation ») de l’ordre de la seconde. Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique et mesurant des accélérations ou des rotations fonctionnent sur le même principe. Afin d’interroger des atomes sur une durée de l’ordre de la seconde, il est nécessaire de ralentir leur agitation thermique, c’est-à-dire de les refroidir. Les dispositifs modernes utilisent ainsi des atomes refroidis par laser à des températures de l’ordre du millionième de degré au-dessus du zéro absolu.  L’intérêt majeur de ces dispositifs atomiques réside dans leur grande stabilité, qui est intrinsèquement lié à la nature quantique de l’interaction entre un atome et les lasers.

Bien que très stables, les dispositifs à atomes froids présentent cependant un inconvénient important : leur cadence de mesure limitée. Cet inconvénient provient du fonctionnement séquentiel des capteurs, dans lesquels les atomes sont refroidis par laser durant quelques centaines de millisecondes, puis interrogés durant environ une seconde, avant d’entamer un nouveau cycle de mesure. Augmenter la cadence ne se faisait jusqu’à présent qu’en diminuant le temps d’interrogation, d’où une diminution de la sensibilité.  

Ce verrou vient d’être levé par une équipe de chercheurs du laboratoire Systèmes de Référence Temps-Espace (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Laboratoire National d’Essai). Pour ce faire, les chercheurs ont mis en œuvre une idée consistant à entrelacer la phase de  refroidissement et la phase de mesure des effets inertiels, et à entrelacer plusieurs cycles expérimentaux entre eux. En entrelaçant 3 cycles, ils sont parvenus à des cadences de mesure de 3,75 Hz tout en conservant un temps d’interrogation de 0,8 seconde. L’échantillonnage rapide résultant de cette technique leur a permis d’améliorer la sensibilité de mesure de vitesse de rotation de leur capteur, une condition essentielle pour caractériser et stabiliser les biais de l’instrument.

Le dispositif expérimental du SYRTE utilise des impulsions lasers pour créer une superposition quantique dans laquelle chaque atome de Cesium est délocalisé entre deux paquets d’ondes distants de quelques millimètres. Une telle superposition quantique macroscopique confère une très grande sensibilité aux forces inertielles dont la méthode d’entrelacement permet de tirer pleinement profit. Le gyromètre du SYRTE permet ainsi de mesurer des variations infimes de vitesse de rotation, deux cent mille fois plus petites que la vitesse de rotation terrestre moyenne, en 8 heures de mesure, ce qui constitue le nouvel état de l’art pour un gyromètre atomique.

Ces résultats, publiés dans la revue Science Advances, ouvrent des perspectives d’applications dans différents domaines technologiques et scientifiques. La grande stabilité de mesure du gyromètre à atomes froids permet d’envisager une évolution des dispositifs de guidage inertiel, en combinant la technologie actuelle des gyromètres laser offrant une grande dynamique de mesure avec la technologie atomique. Disposer de bonnes cadences de mesure (plusieurs Hz) et d’une grande sensibilité pourrait être mis à profit en sismologie pour la l’étude de mouvements tectoniques. Ces propriétés pourraient également être utiles en physique fondamentale pour la détection de matière noire, ou pour réaliser des détecteurs d’ondes gravitationnelles utilisant l’interférométrie atomique.

Pour en savoir plus: 

Site web de l’équipe Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels du SYRTE : 
https://syrte.obspm.fr/spip/science/iaci 

Source(s): 

D. Savoie, M. Altorio, B. Fang, L. A. Sidorenkov, R. Geiger, A. Landragin (2018) Interleaved atom interferometry for high sensitivity inertial measurements, Science Advances 4, eaau7948  DOI:10.1126/sciadv.aau7948

Contact(s):
  • Rémi Geiger, SYRTE
    remi [dot] geiger [at] obspm [dot] fr, 01 40 51 22 08

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