Pierre LEMONDE

Mesurexpo, 02 Juin 2010
Atomes froids et
mesures de précision
Pierre LEMONDE
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Atomes froids
et mesures de précision
• L’interférométrie : optique / atomique
• Les horloges atomiques
• Capteurs inertiels : la gravimétrie
• Quelques applications
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Atomes froids
et mesures de précision
• L’interférométrie : optique / atomique
• Les horloges atomiques
• Capteurs inertiels : la gravimétrie
• Quelques applications
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L’interférométrie optique
Sortie 2
Intensité
Sortie 1
déphasage
SOURCE
LUMINEUSE
Suivant la configuration d’interféromètre, le déphasage dépend :
d’une vitesse de rotation
VIRGO
d’une différence de longueur
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L’interférométrie atomique
Probabilité
de transition
déphasage
Horloge
Gyromètre
Suivant la configuration d’interféromètre,
le déphasage dépend :
d’une fréquence
d’une vitesse de rotation
d’une accélération (pesanteur)
Gravimètre
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L’interférométrie atomique et les atomes froids
Le déphasage est d’autant
plus grand que la durée
d’interaction T est importante
T
Amélioration de la « précision » des instruments
avec des atomes froids !!!
Contrôle de la dynamique des atomes, contrôle
des effets systématiques, possibilité de piégeage.
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Atomes froids
et mesures de précision
• L’interférométrie : optique / atomique
• Les horloges atomiques
• Capteurs inertiels : la gravimétrie
• Quelques applications
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Principe de fonctionnement d’une horloge atomique
correction
Oscillateur
ν
Fréquence ff ::
Fréquence
Stable
Instable
(à quartz, laser, …)
ASSERVISSEMENT
Exacte
Inexacte
REFERENCE
ATOMIQUE
ν0
E2
ν
E1
f0
f
h ν0 = E2 –E1
De très nombreux types d’horloges atomiques, du m3 au cm3 ……
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La stabilité de fréquence
ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
Fréquence
délivrée par
l’horloge
Fréquence
de résonance
idéale
Inexactitude
Instabilité
(biais de
fréquence)
(bruit de
fréquence)
(in)stabilité :
Amplitude des fluctuations y(t) (stabilité de fréquence)
Estimée par un écart-type σ y (sans dimension)
(in)exactitude :
Incertitude sur la valeur de ε
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Les fontaines à atomes froids
σy(τ) = 2. 10-14 τ-1/2
Inexactitude
δε = qq 10-16
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Bruits et effets systématiques
ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
La fréquence dépend de l’environnement électromagnétique :
Sensibilité à un champ magnétique DC :
choix d’une transition particulière insensible (au 1er ordre)
utilisation de blindages magnétiques (en mumétal) + contrôle actif du champ
Sensibilité à un champ électrique DC :
choix des matériaux (conducteurs)
Sensibilité à un champ électromagnétique AC ( EMC ; rayonnement du corps noir
; déplacement lumineux = light shift ) :
enceinte régulée en température
pas de lumière pendant l’interaction (quand c’est possible !)
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Bruits et effets systématiques
ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
La fréquence dépend du mouvement des atomes :
Effet Doppler du 1er ordre : ∆υ = v c
Utiliser une onde stationnaire : cavité (mais jamais parfaitement stationnaire)
Se placer en régime « Lamb-Dicke » où déplacement << λ pendant l’interaction
• gaz tampon (mais attention aux collisions)
• piégeage dans champs électromagnétiques : DC; RF, optique (mais attention aux
déplacements de fréquence)
Effet Doppler du 2nd ordre : ∆υ = v
Vitesses réduites (refroidissement laser)
2
2c 2
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Précision de la mesure du temps
1s/j
1ms/j
1µs/j
Gain : 1 facteur 10
tous les 10 ans
1ns/j
fontaines actuelles
1ps/j
horl.
horl. optiques
1600
1700
1800
1900
2000
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… et après les fontaines à atomes froids
L’espace:
PHARAO : horloge à atomes froids sur ISS en 2013
HORACE : horloge à atomes froids pour GALILEO
Les horloges optiques :
une fréquence 10 000 fois plus grande que pour
les horloges micro-ondes !!!
Horloges sur puces atomiques :
Atomes piégés
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Atomes froids
et mesures de précision
• L’interférométrie : optique / atomique
• Les horloges atomiques
• Capteurs inertiels : la gravimétrie
• Quelques applications
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Gravimètres absolus : 1) gravimètre optique
Principe : interferomètre de Michelson avec un coin de cube en chute
libre
Coin de cube
Différence de marche :
Dz = -
1 2
gt
2
Miroir de
référence
Laser
I
I (t ) µ cos
(
p 2
gt
l
)
t
Exactitude : 2·10-9 g (FG5)
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Gravimètres absolus : 2) gravimètre atomique
z 0
T
|p⟩
|p⟩
D
2T
t
Principe : interféromètre à ondes de
matière
I
A
|p+ ħ keff ⟩
II
B
C
π/2
π
π/2
α |p⟩
β |p+ ħ keff ⟩
Laser 1
Nuage d'atomes en chute libre
Mesure du déplacement le long d'une
onde lumineuse stationnaire ("règle"
verticale)
Pulse 1
z=0
Pulse 2
z (T ) =
Pulse 3
z ( 2T ) = 2 gT 2
1 2
gT
2
r ur 2
∆Φ int = − k eff g T + Φ
+ Φ
Laser 2
Miroir
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Dispositif
Laser 1
L2 : repumper / Raman 1
L3 : cooling / Raman 2
λ/4
2D-MOT
Pulse 1
Pulse 2
z=0
z (T ) =
σ+
87Rb
σ3D-MOT
107 atoms in 50 ms
Tatoms~2 µK
1
gT 2
2
Detection
Pulse 3
z ( 2T ) = 2 gT 2
λ/4
σ-
σ+
retro-reflection
mirror
seismometer
Laser 2
Mir r or
isolation
platform
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Quelques résultats
100
Acceleration (µm/s )
60
δg (µGal)
2
50
0
-50
40
20
0
-20
-40
-100
-60
1000
55302
55303
55304
55305
MJD
Excellent accord mesures-modèle de marée
Marées luni-solaires : ± 100 µGal
(1 µGal = 10-8 m.s-2, ou ~10-9 g)
1100
1200
1300
1400
1500
Time (s)
Séisme, Chine le 20 mars
2008 (7.7)
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Comparaison gravimètres optique et
atomique
Accord à 4 µGal
Exactitude à 6 µGal
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Gravimètre
Gyromètre
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Atomes froids
et mesures de précision
• L’interférométrie : optique / atomique
• Les horloges atomiques
• Capteurs inertiels : la gravimétrie
• Quelques applications
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Mesures de haute précision avec des atomes froids - Applications
Métrologie fondamentale :
Echelles de temps atomique, temps légal
Redéfinition des unités (s, kg)
Constantes fondamentales (α, G)
Tests de physique fondamentale :
Tests de la relativité générale :
- les constantes fondamentales sont-elles constantes ?
- les corps (atomes) tombent-ils tous de la même façon ?
- la loi de la gravitation est-elle vraie à toutes les échelles ?
g
Positionnement / Navigation :
- GPS, GALILEO 1 ns = 30 cm
- Navigation inertielle
Géophysique :
1.0
Rotation terrestre, potentiel/champ de pesanteur
Recherche pétrolière
0.5
0.0
23
07:12
07:42
Time (UTC)
Interférométrie atomique & Mesures de précisions - Perspectives
Horloges atomiques, gyromètres, accéléromètres, gravimètres, gradiomètres, magnétomètres, …
Projets sol :
- Amélioration du compromis Performance / Encombrement
- Métrologie fondamentale (redéfinition des unités)
- Tests de physique fondamentale : relativité générale, gravitation à très courte
distance
Missions spatiales :
- ACES/PHARAO, GALILEO
- Tests de la gravitation dans le système solaire
- Tests de relativité : principe d’équivalence, effet Lense-Thirring, ..
Evolutions instrumentales :
- Utilisation d’ondes atomiques cohérentes
- Miniaturisation des dispositifs pour utilisation dans systèmes embarqués
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