Record de performance pour un capteur inertiel à atomes froids
Une équipe de chercheurs du Laboratoire systèmes de référence temps-espace de l'Observatoire de Paris améliore les performances des capteurs à atomes froids, en trouvant une méthode qui booste leur cadence de mesure et augmente de ce fait, leur sensibilité.


De gauche à droite: Bess Fang, Arnaud Landragin, Matteo Altorio, Remi Geiger, Leonid Sidorenkov.
© SYRTE - Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation. Il vient en...)
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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc...).

Toutefois, ces dispositifs ne parvenaient pas à échantillonner des signaux variant plus rapidement que la seconde.

Bien que très stables, les dispositifs à atomes froids présentent un inconvénient important: leur cadence de mesure est limitée. Cet inconvénient provient du fonctionnement séquentiel des capteurs, dans lesquels les atomes sont refroidis par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) durant quelques centaines de millisecondes, puis "interrogés" durant environ une seconde, avant que soit entamé un nouveau cycle de mesure.

Augmenter la cadence ne se faisait jusqu'à présent qu'en diminuant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) PSL, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du...) Université, Laboratoire National d'Essai).

Un entrelacs de mesure et de refroidissement

Pour ce faire, les chercheurs ont mis en oeuvre une idée consistant à entrelacer la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de refroidissement et la phase de mesure des effets inertiels, et à entrelacer plusieurs cycles expérimentaux entre eux.

En entrelaçant 3 cycles, l'équipe est parvenue à des cadences de mesure de 3,75 Hz tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en conservant un temps d'interrogation de 0,8 seconde. L'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante en métrologie : lorsqu'on ne peut pas saisir un événement dans son ensemble, il faut effectuer des mesures en...) rapide résultant de cette technique leur a permis d'améliorer la sensibilité de mesure de vitesse (On distingue :) de rotation de leur capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait...), une condition essentielle pour caractériser et stabiliser les biais de l'instrument.


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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) atomiques, qui sont recombinées au niveau de la seconde impulsion laser. Lorsque le dispositif est animé d'une vitesse de rotation, un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes...) 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 division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre" est la...).
© Rémi Geiger - SYRTE - Observatoire de Paris

Le dispositif expérimental du SYRTE utilise des impulsions lasers pour créer une superposition quantique dans laquelle chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) 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 (L'entrelacement (en l'anglais Interlaced), ou balayage entrelacé, est une technique destinée à réduire l'impression de scintillement sur un écran à faible fréquence de balayage (50–60 Hz).) 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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...), en 8 heures (L'heure est une unité de mesure  :) de mesure, ce qui constitue le nouvel état de l'art pour un gyromètre atomique.

Applications en vue

Ces résultats, publiés dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...) 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) actuelle des gyromètres laser offrant une grande dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de mesure, avec la technologie atomique.

Pour les géosciences, disposer de bonnes cadences de mesure (plusieurs Hz) et d'une grande sensibilité pourrait être mis à profit en sismologie pour l'étude de mouvements tectoniques.

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), ces propriétés pourraient également être utiles pour la détection de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus,...), ou pour réaliser des détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisant l'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) atomique.

Référence publication:

D. Savoie, M.Altorio, B. Fang, L. A. Sidorenkov, R. Geiger, A. Landragin (2018) Interleaved atom (L'appellation Atom se réfère à deux standards liés.) interferometry for high sensitivity inertial measurements, Science Advances 4, eaau7948 DOI:10.1126/sciadv.aau7948
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