sur la mesure de la constante de Planck. La valeur de g sera mesurée dans une pièce à coté de la balance : il est donc nécessaire de faire le lien entre la valeur mesurée au niveau du gravimètre et au niveau précis où sera positionnée la masse de référence. Un travail exhaustif de mesure de g dans l’ensemble des deux salles a été réalisé, et permettra de faire ce raccorde-ment [Merlet 2008]. La valeur de g, ainsi que les autres grandeurs mises en jeu, doivent donc être mesurées avec une meilleure exactitude, et l’objectif pour notre gravimètre est d’atteindre une exactitude relative de l’ordre de 10−9.
4.2 Description générale du gravimètre
FIG. 4.4 : Photographie du gravimètre. L’ensemble du système à vide est posé sur une plateforme d’isolation des vibrations. Les composants du piège 3D, interféromètre et détection sont à l’intérieur du blindage magnétique cylindrique. L’expérience est ensuite mise dans une boîte habillée de mousse, isolant des vibrations acoustiques (une des parois en noir est visible).
Le gravimètre utilise une source d’atomes froids de Rubidium (87Rb). Cette source est réa-lisée en chargeant un piège optique à 3D par un jet ralenti issu d’un piège magnéto-optique à 2 dimensions. Le choix de cet atome est principalement lié à ses propriétés colli-sionnelles. D’une part, le déphasage, dû aux collisions entre atomes froids, est beaucoup plus
Gravimètre à atomes froids 119 faible que pour le Césium [Sortais 2000], et d’autre part c’est un des atomes les moins diffi-ciles à condenser [Anderson 1995]. Or il est prévu d’utiliser une source ultra-froide d’atomes dans ce gravimètre (voir paragraphe 4.5). Deuxièmement, il a été fait le choix, dès le début, de ne pas lancer les atomes comme dans une fontaine atomique par souci de simplicité du banc laser et de contrôle des trajectoires atomiques. Enfin, le chargement par un piège 2D permet d’une part un taux de cycle élevé limitant les effets des vibrations parasites et d’autre part de réduire très fortement la pression résiduelle de Rb dans l’enceinte à vide principale, garantis-sant que l’effet d’indice est négligeable dans la connaissance du vecteur d’onde effectif de la transition Raman.
Les résultats présentés dans ce manuscrit ont été réalisés avec une enceinte à vide préli-minaire qui est en cours de remplacement. Cette enceinte ne permet pas d’atteindre le niveau d’exactitude nécessaire à l’expérience de balance du watt, mais a été utilisée pour permettre d’identifier clairement les problèmes expérimentaux afin de concevoir un système définitif compatible avec les exigences du projet.
4.2.1 Source atomique
FIG. 4.5 : Schéma de l’expérience.
La source atomique est réalisée à partir d’un piège magnéto-optique à 3D chargé par un jet ralenti d’atomes issus d’un piège magnéto-optique à 2D [Dieckmann 1998, Cheinet thèse]. L’utilisation du chargement par un piège 2D permet de garder une pression de vapeur rési-duelle faible dans l’enceinte à vide tout en ayant un chargement rapide du piège à 3D. Ce point est important pour assurer une fréquence de cycle élevée (typiquement 4 Hz) permettant de
120 4.2 Description générale du gravimètre moyenner efficacement les bruits de vibration. Un taux de chargement de 3.109at.s−1 permet de charger jusqu’à 2.109 at dans le piège en environ 1s. En fonctionnement habituel, le temps de chargement est donc réduit à 50 ms pour limiter les temps morts tout en garantissant un nombre élevé d’atomes dans le piège. Après la phase mélasse, permettant de refroidir l’échan-tillon à 2,5µK dans le niveau F = 2, les atomes sont préparés dans l’état F = 1, MF = 0 à l’aide d’une impulsion micro-onde et d’un faisceau pousseur. Une sélection de la vitesse verticale (largeur Vrec/2) des atomes est alors réalisée à l’aide d’une seconde impulsion micro-onde qui repompe les atomes dans F = 2, MF = 0 suivie d’une impulsion Raman qui retransfert uniquement les atomes ayant la vitesse sélectionnée dans l’état F = 1, MF = 0 puis du faisceau pousseur.
4.2.2 Principe de la mesure de g
L’interféromètre est réalisé par une succession de trois impulsions Raman séparées res-pectivement d’un temps T pouvant allez jusqu’à 50 ms. Les atomes étant accélérés suivant la direction du faisceau Raman, il est nécessaire de changer la différence de fréquence entre les lasers Raman entre chaque impulsion Raman pour rester à résonance. Comme nous l’avons décrit dans le chapitre 2, le déphasage d’accélération correspond à l’accélération de la diffé-rence de phase (rampe de fréquence) entre les lasers Raman vue dans le référentiel en chute libre avec les atomes. En générant une rampe de fréquenceα de signe opposé, il est possible de compenser le déphasage d’accélération :
∆Φ = (a.keff − α)T2
Par ailleurs, en changeant la pente de la rampe de fréquence, il est possible de faire défiler les franges d’interférence. La rampe de fréquence α0 qui compense exactement l’effet de la gravité peut être trouvée en changeant le temps d’interrogation de l’interféromètre. En effet, seule cette rampe correspond à un déphasage nul pour tous les temps d’interrogation (figure 4.6) :
α0 = g.keff
Une fois la frange centrale identifiée, nous effectuons des mesures à flanc de frange de façon alternée des deux cotés de la frange centrale. En comparant, les signaux des deux cotés, il est possible d’extraire un signal d’erreur qui permet d’asservir la fréquence moyenne de la frange pour suivre les variations de la gravité. Cette méthode a l’avantage de garantir une sensibilité maximale à flanc de frange d’une part et de s’affranchir d’éventuelles variations du contraste. L’expérience permet alors des acquisitions continues pendant des durées longues (figure 4.7) et donc de visualiser les effets des marées luni-sololaires.
Gravimètre à atomes froids 121
FIG. 4.6 : Interférogrammes réalisés en changeant la rampe de fréquence appliquée sur la différence de fréquence entre les faisceaux lasers Raman.
FIG. 4.7 : Acquisition continue du signal d’accélération du 22 au 26 décembre 2006. Les données correspondent à une moyenne sur 25 s. La courbe représente la modélisation des effets de marée pendant cette même période.