Utilisation de sources atomiques ultra-froides

La première étape pour tirer profit des possibilités offertes par les atomes ultra-froids consiste à les utiliser dans des configurations d’interféromètres similaires à celles utilisant des atomes froids classiques, mais en bénéficiant de sa meilleure définition spatiale de la source et de sa température réduite (plus faible dispersion en vitesse). La difficulté consiste à limiter l’effet des interactions entre atomes froids. Un inconvénient provient de l’augmentation du temps de cycle due à la durée de préparation importante de l’échantillon, mais qui peut être compensée par l’augmentation du temps de mesure. Ce type de source a un intérêt particulier pour atteindre une grande exactitude et pour les expériences en micro-gravité, où la réduction de la température permet une augmentation importante du temps d’interrogation et donc de la sensibilité (voir paragraphe 5.5).

Perspectives 171 Gravimètre : source atomique ultra-froide

Outre les modifications concernant l’enceinte à vide et le contrôle des trajectoires, une seconde approche, pour améliorer l’exactitude du gravimètre consiste à transférer les atomes dans un piège dipolaire, engendré par un laser à fibre de puissance et très désaccordé. La pos-sibilité de réaliser un refroidissement évaporatif très efficace et de condenser des atomes de ru-bidium dans un piège dipolaire croisé à 1,5µm ayant été récemment démontré [Cément 2009], nous utiliserons ce type de dispositif pour étudier les performances de l’interféromètre avec un échantillon plus dense, mieux défini spatialement et plus froid.

L’utilisation d’atomes ayant une dispersion en vitesse plus faible doit permettre d’amélio-rer l’exactitude de la mesure : l’influence des aberrations du front d’onde, des gradients de déplacements lumineux ou de l’accélération de Coriolis sera plus faible. Un autre intérêt du piège dipolaire est qu’il constitue un piège de nature différente, non dissipatif, pour le lâcher des atomes. Lors de l’extinction du piège dipolaire, il n’y pas de transfert d’impulsion dans une direction privilégiée et donc pas de déphasage parasite dû à l’effet Coriolis.

L’utilisation d’un piège dipolaire, permettant d’obtenir un condensat de Bose-Einstein par des méthodes purement optiques, semble préférable aux pièges magnétiques pour des instruments de grande exactitude, parce qu’il peut être coupé rapidement sans engendrer de perturbations. Cependant, pour des échantillons très denses, le déphasage lié aux interactions entre les atomes pourra affecter la mesure de l’accélération de la pesanteur. Nous étudierons cet effet qu’il est important de bien maîtriser pour envisager l’utilisation des atomes ultra-froids à des mesures de précision et comparer les mérites respectifs des atomes ultra-ultra-froids non condensés et condensés.

5.2.2 Nouveaux concepts : Condensation de Bose-Einstein et

Interféro-métrie Atomique dans un Résonateur Optique de Grande Finesse

(BIARO)

En utilisant des atomes piégés (piège dipolaire ou magnétique), il est possible d’envisa-ger un temps d’interrogation notablement plus grand (supérieur 1s) tout en restant très com-pact, mais également des conceptions très différentes bénéficiant des particularités de ce type de source [Impens 2008]. Dans ce type d’interféromètre, la difficulté principale est liée au contrôle des interactions avec le piège et aux interactions entre atomes froids, qui déplacent les niveaux d’énergie et génèrent des déphasages parasites.

172 5.3 Des capteurs inertiels pour les applications spatiales L’expérience BIARO vise à utiliser un résonateur optique de haute finesse pour obtenir un condensat de Bose-Einstein de façon tout optique (piège dipolaire), qui servira ensuite pour des expériences d’interférométrie atomique. Cette expérience est réalisée en collabora-tion avec Philippe Bouyer du laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique de Palaiseau. L’utilisation d’une cavité de haute finesse apporte plusieurs avantages. Le premier provient du fait que la cavité permet d’amplifier l’intensité laser et donc de réaliser un piège très confi-nant nécessaire à l’obtention d’atomes ultra-froids, tout en utilisant une source laser de faible puissance (de l’ordre de 100 mW au lieu de 100 W). En utilisant une cavité à quatre mi-roirs, l’échantillon est alors à une position bien définie au croisement de deux bras, ce qui est un avantage certain pour le contrôle des effets systématiques (problèmes de défauts de front d’onde des faisceaux lasers Raman).

La cavité devrait également être utilisée pour réaliser une mesure de déphasage atomique en dessous de la limite standard due au bruit de projection quantique (en 1/N^1/2). La détection non destructive de l’état de spin des atomes permet de créer des états intriqués macrosco-piques qui peuvent être utilisés dans l’interféromètre. La cavité permet à la fois d’obtenir le nuage ultra-froid, mais assure également la superposition du mode atomique et optique pour la détection non-destructive et un gain sur l’efficacité de cette détection non-destructive (comme la racine carrée de la finesse qui est attendue supérieure à 10 000 à 780 nm).

Ce type de méthode est particulièrement adapté aux sources d’atomes ultra-froids. Pre-mièrement, l’épaisseur optique de l’échantillon est très élevée, ce qui est nécessaire pour obtenir une détection faiblement destructive. Deuxièmement, le nombre d’atomes étant ty-piquement faible dans ces sources ultra-froides (tyty-piquement de 1000 à 10⁵at), la limite stan-dard représente effectivement une limite pratique à la sensibilité. L’intérêt de cette méthode dépasse son utilisation en interférométrie atomique et peut par exemple être également utili-sée pour les horloges atomiques. Les premières démonstrations de mesures non-destructives, fondées sur des méthodes similaires, ont été publiées à l’automne 2008 dans les équipe E. Polzik [Appel 2009] à Copenhague et de Vuletic au MIT [Schleier-Smith 2009].

5.3 Des capteurs inertiels pour les applications spatiales

5.3.1 Tests des lois de la gravité à l’aide de l’interférométrie atomique

Depuis leurs débuts, les interféromètres à ondes de matière sont envisagés pour réaliser des sondes très précises des forces gravito-inertielles [Clauser 1988, Bordé 1994b]. Leur dé-veloppement rapide et leurs performances en font des candidats prometteurs pour tester la gravité [Lämmerzahl 2000, Bordé 2002, Fray 2004, Dimopoulos 2007]. Ce type de capteur a

Perspectives 173 été proposé pour tester la relativité générale en mesurant l’effet Lense-Thirring [Lense 1918, Gustavson 2000, ESA-SCI 2000, Angonin 2006], pour tester le principe d’équivalence en comparant la chute de deux corps de compositions différentes (deux atomes de natures diffé-rentes) [Nyman 2006, Ertmer 2009], pour détecter les ondes gravitationnelles [Bordé 1994b, Delva 2006, Lamine 2006, Tino 2007b, Dimopoulos 2008] ou encore pour tester les lois de la gravité à très faibles distances (∼ 10µm) [Dimopoulos 2003, Harber 2005, Wolf 2007, Sorrentino 2008, Pereira 2009] ou très grandes distances comme à l’échelle du système so-laire [Wolf 2009]. D’autres applications, hors du champ de la physique fondamentale, sont également envisagées et notamment pour les nouvelles générations de gradiomètres dans l’es-pace [Yu 2006].

Pour la plupart de ces propositions, l’utilisation de la micro gravité permet de bénéficier d’un environnement permettant de décupler les performances de ce type de capteur grâce à un environnement vibratoire plus calme (fond sismique, bruit gravitationnel...) et à l’augmen-tation du temps d’interrogation. Cet avantage a déjà été mis en avant pour les horloges et notamment dans le cadre du projet ACES [Cacciapuoti 2007] incluant comme charge utile l’horloge à atomes froids PHARAO [Laurent 2006]. Il est encore plus net pour les capteurs inertiels car, d’une part la sensibilité augmente comme le carré du temps d’interrogation, et d’autre part le passage dans l’espace peut, dans certaines conditions, permettre de réduire très significativement les vibrations parasites.

Des applications des capteurs inertiels ont déjà été proposés ou même mises en pratique à l’aide de capteurs macrosopiques [Everitt 2008, Touboul 2001, Tapley 2004]. L’intérêt de l’interférométrie atomique repose sur la possibilité de réaliser des appareils sans biais (ou très peu) et avec une très bonne stabilité sur les temps longs.

5.3.2 HYPER : mesure de l’effet Lense-Thirring

La mesure de l’effet Lense-Thirring était le but principal de la proposition de mission spatiale HYPER. L’effet Lense-Thirring est un effet relativiste qui conduit à la précession du référentiel d’inertie local, matérialisé par des gyromètres, par rapport à un référentiel non local, réalisé en pointant une étoile lointaine fixe. La précession due à l’effet Lense-Thirring s’écrit [Lense 1918] :

ΩLT = ^{G I}

c2

3(ω × r).r − ωr2

r5

où G est la contante gravitationnelle, I et ω sont respectivement le moment d’inertie et la vitesse de rotation de la terre, et r la position par rapport au centre de la terre.

La très grande sensibilité de l’interféromètre atomique à l’effet Sagnac doit permettre de mesurer la modulation de la précession due à l’effet Lense-Thirring lorsque le satellite tourne

174 5.3 Des capteurs inertiels pour les applications spatiales

FIG. 5.3 : Diagramme schématisant la mesure de l’effet Lense-Thirring. Les lignes noires visualisent les lignes de champ de l’effet d’entraînement de la Terre. Les axes d’entrée des gyromètres pointent dans deux directions orthogonales à la direction de pointé du télescope. La direc-tion de l’effet d’entraînement varie au cours de l’orbite du satellite par rapport aux axes d’entrée des gyromètres.

en orbite autour de la Terre. Sur une orbite synchrone avec le soleil, à une altitude de 700 km, HYPER peut mesurer l’effet d’entraînement sur une trajectoire quasi-polaire en fonction de sa latitude :   Ωx Ωy  α³ 2   sin(2θ) cos(2θ) − 1 3   (5.1)

oùex etey définissent le plan orbital, avec le moment d’inertie de la Terre J parallèle àey

etθ = arcos(r.ex).

La charge utile de HYPER est constituée de deux gyromètres atomiques dont les axes d’entrée sont orthogonaux entre eux. Un télescope de très grande sensibilité est utilisé comme pointeur d’étoile pour donner la référence d’angle (10−9rad dans la gamme de fonctionnement de 0,3 à 3 Hz). Les deux gyromètres peuvent mesurer les deux composantes de la vitesse de rotation dans le plan orthogonal à la direction de pointé du télescope, dirigé vers l’étoile de référence. A cause de l’effet Lesne-Thirring, les vitesses de rotation mesurées par les deux gyromètres varient à une fréquence double de celle de révolution du satellite autour de la Terre (voir eq. 5.1). Les deux signaux suivant les deux axes ont la même amplitude de modulation (3,75.10−14 rad.s−1) mais évoluent en quadrature. La sensibilité de chaque gyromètre est de 3.10−12rad.s−1pour un temps d’interrogation de trois secondes. En répétant la mesure toutes les trois secondes, chaque gyromètre atteint une sensibilité de 7.10−14rad.s−1après une orbite (90 minutes) et 2.10−15rad.s−1en un an, soit un vingtième de l’effet mesuré.

Perspectives 175

FIG. 5.4 : Schéma de principe de la charge utile de HYPER. Les deux gyromètres sont basés sur le même principe de fonctionnement que celui décrit au paragraphe 3.3. Chaque gyromètre utilise deux sources d’atomes lancées suivant des directions opposées. Les deux gyromètres donnent accès aux deux composantes de la vitesse de rotation dans le plan orthogonal à la direction de pointé du télescope, qui est monté de façon solidaire avec les deux gyromètres.

Bien que cette proposition de mesurer l’effet Lense-Thirring ne soit plus d’actualité, la proposition de ce projet en 2000, ainsi que l’étude de faisabilité industrielle qui l’a suivi, ont permis de montrer la faisabilité et les potentialités de l’interférométrie dans l’espace pour tester les lois de la gravité mais également d’envisager des applications spatiales en gravimé-trie terrestre par exemple. De plus, après le vol de la mission Gravity Probe B, l’analyse des données [Everitt 2008] n’a permis de mesurer directement cet effet avec la résolution espérée (une fraction de %). Ce test est donc toujours d’actualité.

Mais surtout, cette première étude a permis d’ouvrir une nouvelle thématique de test de la physique fondamentale dans l’espace à l’aide d’interféromètres atomiques. Deux autres projets ont été proposés à l’ESA lors de l’appel "COMSIC vision 2007" et sont maintenant envisagés. Premièrement, en comparant la chute de deux nuages d’atomes ultra-froids de Ru-bidium et de Potassium, il a été proposé de tester le principe d’équivalence à mieux que10−15

en bénéficiant pleinement de l’augmentation du temps d’interaction en apesanteur (typique-ment 10 s), grâce à l’utilisation d’atomes ultra-froids (mission MWXG [Ertmer 2009]). Une deuxième proposition, baptisée SAGAS [Wolf 2009], a plusieurs objectifs de physique fon-damentale et d’étude du système solaire, par exemple un test de la relativité générale et une exploration de la ceinture de Kuiper. La mission consiste à lancer ensemble de capteurs ato-miques (horloge optique, accéléromètre, et lien optique) sur une trajectoire s’échappant du système solaire. L’accéléromètre, fondé sur des concepts très proches de ceux du gravimètre,

176 5.3 Des capteurs inertiels pour les applications spatiales permet distinguer les forces inertielles de force non-inertielles (par exemple la pression de radiation du soleil) lors du voyage.

5.3.3 ICE : Interférométrie Cohérente pour l’Espace

Ce projet est développé en collaboration avec le laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique de Palaiseau (Philippe Bouyer) et l’ONERA (Alexandre Bresson) depuis 2005. Il a pour but de tester le principe d’universalité de la chute des corps entre deux espèces d’atomes (Rubidium et Potassium). A terme, l’expérience consistera en un double interféro-mètre à sources cohérentes et fonctionnant dans l’avion zéro-g du CNES. L’un des intérêts de cette expérience est la possibilité de disposer de longs temps d’interrogation, inaccessibles au sol à cause de la gravité. Cette expérience a également un but de démonstration de faisabilité pour les projets spatiaux fondés sur l’utilisation de l’interférométrie atomique.

FIG. 5.5 : A gauche : installation de l’expérience dans l’avion. A droite : franges de Ramsey obtenues en micro-gravité pendant la campagne d’octobre 2008 à l’aide de transitions Raman co-propageantes.

Bien qu’encore en développement, une partie de l’expérience a déjà volé en zéro-g, dé-montrant la validité des choix technologiques réalisés en terme de source laser, qui est fondée sur des lasers à 1,5µm doublés en fréquence pour le piégeage et les faisceaux Raman. Cette technologie a l’intérêt de bénéficier des développements importants des composants entiè-rement fibrés réalisés pour les applications telecom. Le piégeage et le refroidissement des atomes ainsi que des franges de Ramsey ont été obtenus dans l’avion en zéro-g. L’expérience sera d’abord testée en tant qu’interféromètre à source froide conventionnelle, avec des atomes de Rubidium, puis avec les deux espèces atomiques simultanément. Enfin, l’utilisation des sources ultra-froides sera mise en place pour obtenir les performances ultimes. La

tempéra-Perspectives 177 ture plus froide des échantillons atomiques permettra de bénéficier pleinement de l’augmenta-tion du temps d’interrogal’augmenta-tion accessible en micro-gravité. Le refroidissement évaporatif sera réalisé à l’aide d’un piège dipolaire utilisant un laser de puissance également à 1,5µm. Son utilisation commune pour les deux espèces atomiques garantit la superposition spatiale des trajectoires atomiques nécessaire pour limiter l’effet des défauts de front d’onde sur la mesure différentielle.

Il est important de noter que, même si l’expérience est conçue pour fonctionner en micro-gravité, elle fonctionne également au sol (temps d’interrogation réduit), ce qui permet d’ef-fectuer des tests préliminaires et d’améliorer sa fiabilité. Le niveau de vibrations très élevé dans l’avion brouille les franges d’interférences. Néanmoins, il est possible de récupérer le signal utile en utilisant des méthodes de corrélation de signaux, issus des deux interféro-mètres [Stockton 2007] et d’un accéléromètre mécanique embarqué de façon solidaire. Cette méthode est similaire à celle déjà utilisée pour le gravimètre [Merlet 2009].

Un projet relativement similaire est en cours de développement en Allemagne (coopération entre plusieurs laboratoires) [Vogel 2006]. Ce projet, nommé QUANTUS, utilise une puce atomique pour générer le condensat et réalise les mesures dans la tour de chute libre de Brême.

5.4 Articles relatifs aux applications des capteurs inertiels

atomiques

Trois articles sont reproduits dans ce paragraphe. Le premier est un article de vulgarisation des applications de l’interférométrie atomique à la réalisation de capteurs inertiels (Physics-Wolrd 2007). Les deux suivants concernent le projet ICE. Le premier donne une description générale du projet (Appl. Phys. B 2006) et le second (EPJD 2009) donne des résultats préli-minaires dans lesquels des franges de Ramsey ont été obtenues à l’aide de transition Raman co-propageante en micro-gravité.

Since the beginning of the 20th century, physicists have known that light must be considered as both a wave and a particle. Some properties of light – such as diffraction – can only be explained by treating it as waves, while others – like the photoelectric effect – can only be ex-plained by treating it as particles. In the 1920s Louis de Broglie suggested that this wave–particle duality, which lies at the heart of the counterintuitive laws of quantum mechanics, could be extended to massive par-ticles. In other words, electrons, atoms and molecules should diffract and interfere just like light does.

The wave nature of particles was first demonstrated in 1927, when George Paget Thomson – the son of J J Thomson, who discovered the electron in 1897 – found that a narrow beam of electrons produced an interference pattern after passing through a diffrac-tion grating made from a thin metal film. Three years later, Immanuel Estermann and Otto Stern found that helium atoms generated a similar pattern when they were reflected from the surface of a crystal, which has a periodic structure like a grating does. Since then, a variety of tools have been developed to split these so-called matter waves into different parts as prisms and mirrors do for light. Unlike these optical elements, however, devices capable of manipulating matter waves need exotic structures such as mechanical and laser gratings. Armed with such devices, we can build a matter-wave interferometer.

Interferometers are a vital tool in physics. By ana-lysing the interference pattern produced when two or more waves that have travelled along different paths interfere, an interferometer can reveal information about the physical environments of those paths or “arms” (figure 1). In an optical interferometer, for example, the separation of fringes in such an interfer-ence pattern depends on the relative phases of – and thus the distances travelled by – the waves in each arm of the device. Most interferometers use electromagnetic waves, but the principle is the same for sound and mat-ter waves too. The latmat-ter, for instance, experience a phase shift that depends on the refractive index of the medium they are travelling through.

The crucial difference between a matter-wave and an optical interferometer, however, is that matter waves have mass while photons are massless. As a re-sult, the phase of a matter wave is affected by gravity to a much greater extent, thereby offering a highly accu-rate way to test Newtonian gravity on very small scales and to measure certain fundamental constants (see box on page 37).

But atom interferometers also have much more prac-tical applications. In particular, they can provide an absolute measure of rotation and acceleration, and have recently been used to build inertial sensors with an accuracy that rivals traditional devices. Indeed, it may not be long before such atom interferometers are used to guide aircraft, submarines and even spacecraft. Separating states

The first matter-wave interferometer was built in the 1950s by Norman Ramsey, who shared the 1989 Nobel Prize for Physics for the work. Ramsey and his col-leagues set out to measure the resonance frequency of an electronic transition in hydrogen molecules – the principle on which atomic clocks are based. To do so, they constructed an interferometer using two separ-ated microwave cavities.

In the first cavity a cloud of hydrogen molecules was put into a quantum superposition of different energy states by firing a microwave pulse at it. When a mole-cule or atom in its ground state absorbs a photon with the right energy, it moves to an excited state, where it

Interferometers that exploit the wave nature of atoms, rather than light, are being turned into precise

inertial sensors for vehicle guidance systems. As Franck Pereira Dos Santosand Arnaud Landragin

explain, such matter-wave interferometers also allow precise tests of fundamental physics

Franck Pereira

Dos Santosand

Arnaud Landragin

are at the SYRTE laboratory, Observatoire de Paris, France, e-mail franck.pereira@ obspm.fr

Getting the measure of

atom interferometry

●According to quantum mechanics, atoms and molecules can also be treated as waves, which means that they can be made to reflect, diffract and interfere

Dans le document Interférométrie atomique : applications aux capteurs inertiels (Page 171-200)