6.2 Perspectives
6.2.1 Améliorations techniques : vers la sensibilité extrême
A court terme, les corrélations réalisées à l’aide de deux accéléromètres devraient permettre de corriger le bruit de rotation et améliorer la sensibilité. En couplant ces mesures avec une isolation active de la plateforme, les performances devraient atteindre le palier technique limite. Dans un second temps, l’optimisation de la chaîne de fréquence devrait permettre d’améliorer encore la sensibilité court terme.
Nos mesures présentent une dérive qui se caractérise sur l’écart-type d’Allan par une pente en√τ : une dérive lente du coefficient de normalisation de la détection ou la fluctuation du déplacement lumineux à un photon peuvent en être responsables. La mise en place d’une séquence avec renversement de l’aire de l’interféromètre ±~~keff [49] permettra d’isoler les deux effets en éliminant les fluctuations de déplacement lumineux. La détection pourra être optimisée en remplaçant les prismes et en anodisant la surface interne, pour s’affranchir des fluctuations de polarisation déjà identifiées et du bruit de photon de la lumière parasite. Une seconde étape consistera à aligner l’interféromètre d’aire maximale 11 cm2. Nous avons calculé la nouvelle tolérance angulaire de cet alignement : la même méthode pourra être reproduite. L’installation d’une jauge de déplacement ou d’un actuateur piézoélectrique sera nécessaire pour optimiser plus facilement ce réglage. La mise en œuvre de la double diffraction et d’impulsions multi ~k permettront d’atteindre une sensibilité extrême pour cet interféromètre [103].
Parallèlement, l’installation du nouveau banc laser Raman permettra de générer deux fréquences simultanément : cette nouvelle fonctionnalité sera indispensable pour implémenter le fonctionnement jointif à 3 impulsions, et repousser encore la limite de sensibilité. A court terme, un interféromètre jointif d’aire maximale et optimisé grâce à une isolation active des vibrations, devrait permettre d’atteindre une sensibilité de 5 · 10−10rad.s−1 à 1 min.
Nous nous sommes intéressés à la sensibilité de l’interféromètre : l’étude de l’exactitude de la mesure doit également être entreprise pour distinguer le signal utile des biais de l’instrument. Ceux-ci pourront être évalués grâce au formalisme de la fonction de transfert et à la mesure des densités spectrales de certains paramètres expérimentaux.
6.2.2 Physique fondamentale
La détection des ondes gravitationnelles est un challenge technique d’envergure pour la physique fondamentale : l’instrument MIGA, pour « Matter-wave laser Interferometry Gravitation Antenna », sera constitué de trois interféromètres atomiques partageant le même faisceau laser d’interrogation, asservi sur une cavité résonante. En mesurant l’accélération locale vue par les atomes dans chaque interféromètre, on pourra en déduire le gradient de courbure du champ de gravité et réaliser la détection des ondes de gravité produits par des systèmes binaires d’étoiles à neutrons ou des trous noirs proches de la coalescence [104].
au mieux les éléments des interféromètres de MIGA. La mesure jointive présente un potentiel important pour améliorer la sensibilité court terme de l’instrument : plusieurs optimisations pourront être conduites, notamment la réduction de la lumière parasite. L’étude de la construction du champ dans une cavité et la réponse de l’interféromètre pourront être étudiées grâce au gyromètre et à ses nombreux accès optiques.
Neutralité de l’atome Le déphasage topologique lié à l’effet Aharonov-Bohm dans un interféromètre atomique devrait permettre de tester la neutralité de l’atome à un niveau de sensibilité encore inégalé. Cet effet pourrait être mesuré sur le gyromètre, en lui intégrant deux électrodes aux potentiels opposés en bas et en haut de l’enceinte à vide. Le déphasage est alors proportionnel au temps passé par chaque partie de la fonction d’onde dans les deux régions aux potentiels opposés. L’enjeu de telles mesures est de tester des effets à l’échelle de l’énergie de Planck, qui reste encore une frontière pour la physique [105].
6.2.3 Géophysique
La dynamique de la rotation terrestre est complexe : influencée par l’attraction de la Lune et du Soleil ainsi que par sa propre dynamique interne, l’axe de rotation de la Terre est perturbé. Celui-ci présente en effet un mouvement de précession : il décrit une rotation sur un cercle de 23◦27’ de rayon par rapport au pôle nord de l’écliptique, avec une période de 25800 ans. Il présente un second mouvement oscillant rapide et de petite amplitude, autour de cette inclinaison moyenne de 23◦ 27’ : c’est la nutation. Ce mouvement est très aléatoire, et son amplitude moyenne est de 9”21 et de période maximale 18,7 ans.
Les variations rapides de l’axe de rotation terrestre sont actuellement déterminées grâce à un échantillon de quasars très lointains, permettant de définir un référentiel très stable. Ces mesures sont réalisées par un réseau d’observatoires constituant un radio interféromètre à très longue base (VLBI). C’est actuellement la seule méthode pour mesurer assez précisément les variations de vitesse de rotation et d’orientation de l’axe terrestre, pour les applications de navigation et positionnement sur le globe. Les plus petites variations mesurables sont de l’ordre de 10 µs sur la durée d’un jour terrestre, et de 0,5 nrad pour l’orientation de l’axe.
La sensibilité des gyrolasers géants permet d’atteindre le niveau de performances du VLBI, et les premiers résultats montrent un très bon accord entre les mesures [106]. Le développement d’un instrument transportable à partir de notre gyromètre présente un fort potentiel pour des mesures de terrain complémentaires, notamment l’étude de variations rapides de l’axe de rotation grâce à une sensibilité élevée sur un temps d’intégration court, et la mesure du couplage entre rotation et accélération. Cette dernière mesure permettrait de discriminer les variations de vitesse des changements d’orientation de l’axe de rotation de la Terre.
6.2.4 Navigation inertielle
Bien que le gyromètre atteigne une sensibilité élevée grâce à sa géométrie de type fontaine, celle-ci crée cependant des temps morts pendant chaque cycle de mesure : le temps de
6.2 Perspectives
préparation des atomes ou le temps de vol entre la dernière impulsion laser et la détection. Cet effet d’échantillonnage est limitant pour la navigation car il induit une perte d’information sur l’orientation de l’instrument.
La mesure jointive permet de s’affranchir de cet effet : le vecteur instantané de rotation Ω(t) est mesuré continument et non plus à des instants de temps discrets tk. Cette méthode permet de s’affranchir complètement du fonctionnement séquentiel de l’interféromètre à atomes froids, et constitue une solution technique innovante et indispensable pour rendre utilisable cette gamme de capteurs en navigation inertielle.