Records de performance pour un capteur inertiel à atomes froids
Publié par Adrien le 10/01/2019 à 08:00
Source: CNRS-INSU
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 ( 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 est une...). Une équipe de chercheurs du Laboratoire systèmes de référence temps-espace (SYRTE, CNRS/Observatoire de Paris/PSL 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). Aux États-Unis, au moment où les...) 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 (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) inertielle, en géoscience et en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.).


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 (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin,...) 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 (On distingue :) 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...) 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...) atomique est observé. Droite: mesure d'une vitesse de rotation variant de manière sinusoïdale dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). 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...).

La sensibilité d'un dispositif de mesure s'améliore généralement avec le temps durant lequel on peut observer l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par...) au coeur du dispositif. Ce principe s'illustre notamment lorsque l'on réalise une mesure de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) dans une horloge atomique, où la sensibilité croît proportionnellement au temps durant lequel les atomes évoluent librement entre deux impulsions électromagnétiques micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient...). Les meilleures fontaines atomiques utilisent un temps d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) (appelé temps "d'interrogation") de l'ordre de la seconde. Les capteurs inertiels basés sur l'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) 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 (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts...), 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 (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) au-dessus du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en...) absolu. L'intérêt majeur de ces dispositifs atomiques réside dans leur grande stabilité, qui est intrinsèquement lié à la nature quantique de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) entre un 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...) 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 (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, entre les confluents de la Marne et de la...), Université 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 (EPST).), 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 collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Université, Laboratoire National d'Essai). 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, ils sont parvenus 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...) rapide résultant de cette technique leur a permis d'améliorer la sensibilité de mesure de vitesse 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...), 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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) 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...), 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.

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 (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. 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 (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et explorées...), ou pour réaliser des détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisant l'interférométrie atomique.
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