[News] Mesure ultra-précise de la rotation par ondes de matière

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A l’Observatoire de Paris - PSL, l’équipe "Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels" du SYRTE (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / SU / LNE) a publié le 10 juin 2022 dans la revue Science Advances un test précis de l’effet Sagnac par les ondes de matière. L’équipe a pu mesurer le déphasage induit par la rotation de la Terre et trouver un accord avec la prédiction théorique à un niveau de précision de 25 parties par million. Au-delà de l’importance pour la physique fondamentale, ce travail ouvre des applications pratiques en sismologie et en géodésie.

A gauche: forme schématique de l’interféromètre.
A droite: déphasages atomiques mesurés suivant les deux axes du gyromètre en fonction de l’orientation et de l’angle de rotation.

Quand on observe l’interférence de deux ondes contra-propageantes entourant une aire fermée, on observe un déphasage induit par la rotation du cadre de l’expérience. L’instrument est alors appelé un gyromètre. Cet effet bien connu est appelé effet Sagnac, du physicien français qui chercha à le mettre en évidence dès 1913, pour tester les lois de combinaison des vitesses de la lumière. L’effet Sagnac est un effet relativiste, un peu analogue au paradoxe des jumeaux de Langevin, mais où l’accélération provient de la rotation du cadre. Aussi l’effet Sagnac a joué un rôle clé dans l’établissement de la théorie de la relativité et a poussé au développement d’interféromètres optiques de précision.

La sensibilité à la rotation donne lieu à de nombreuses application pour la navigation d’engins comme les sous-marins, les avions, les fusées... Quand les gyromètre Sagnac sont suffisamment précis, l’étude des spectres de la rotation de la Terre permet d’obtenir des informations sur les séismes et les variations du champ de pesanteur qui perturbent la rotation de la Terre.

Aussi l’importance fondamentale de l’effet Sagnac a motivé la réalisation d’expériences visant à tester sa validité pour des ondes autres qu’optiques. Les mesures absolues et de précision restent un défi de taille.

L’équipe Interféromètrie Atomique et Capteurs Inertiels du SYRTE vient de publier dans la revue Science Advances un test précis de l’effet Sagnac par les ondes de matière. Une onde de matière est l’équivalent ondulatoire de particules, ici des atomes de Cesium refroidis par laser. Dans le gyromètre du SYRTE, les atomes sont lancés de telle façon que leurs trajectoires forme une figure en 8 et contient une surface géométrique de 11 cm2 et deux axes de mesures sensibles. L’équipe a pu mesurer le déphasage induit par la rotation de la Terre et trouver un accord avec la prédiction théorique à un niveau de précision de 25 parties par million.

Au-delà de l’importance pour la physique fondamentale, notre travail ouvre des applications pratiques en sismologie et en géodésie.

Référence:
Gautier, R., Guessoum, M., Sidorenkov, L.A., Bouton, Q., Landragin, A. Geiger, R.: 2022, Accurate measurement of the Sagnac effect for matter waves, Science Advances, 8, 23 www.science.org

Source: Observatoire de Paris