OPTIMISATION D`UN INTERFEROMETRE ATOMIQUE

OPTIMISATION D’UN INTERFEROMETRE ATOMIQUE EMBARQUABLE ET NOUVELLES
TECHNIQUES DE MESURE ACCELEROMETRIQUE
1
Renée Charrière , Olivier Carraz2, Malo Cadoret3, Nassim Zahzam1, Yannick Bidel1, Alexandre Bresson1, François
Nez4
1
ONERA, 91761 Palaiseau Cedex, France
LCAR, Université Paul Sabatier, 31092, Toulouse Cedex 09, France
3
CNAM, 75141 Paris Cedex 03, France
4
LKB, Université Pierre et Marie Curie, 75252 Paris Cedex 05, France
2
1. INTRODUCTION
Ces dernières années, les progrès réalisés dans la manipulation des ondes de matière par des impulsions lumineuses cohérentes
ont permis la réalisation d’interféromètres atomiques très sensibles : des gravimètres [1], [2], des gradiomètres et des gyromètres.
Nous souhaitons ici réaliser un gravimètre atomique embarquable. Un tel gravimètre peut être utilisé pour diverses applications
comme la navigation par corrélation de terrain, le positionnement grâce à des cartes de gravité, la localisation de gisements ou la
détection de ruines souterraines et aussi pour tester le principe d’équivalence [3].
Pour ce faire, nous avons combiné un interféromètre atomique à quatre impulsions Raman π/2 avec des oscillations de Bloch
atomiques. L’utilisation d’oscillations de Bloch [4], [5], permet de contrôler la trajectoire des atomes. Nous avons réalisé une mesure
de principe de l’accélération de la pesanteur avec des atomes oscillant autour d’une vitesse nulle dans une onde stationnaire, montrant
qu’il est possible d’envisager de réduire la taille de l’enceinte à vide à quelques centimètres, c’est-à-dire la taille du nuage atomique
utilisé.
2. PRINCIPAUX RESULTATS OBTENUS
Nous avons effectué une mesure de l’accélération de la pesanteur en soumettant les atomes à la séquence suivante. Un réseau
mobile va accélérer les atomes vers le haut, puis les atomes vont subir deux impulsions π/2 Raman séparées d’un temps Tr. Les
atomes, soumis à la pesanteur, vont atteindre une vitesse nulle après la deuxième impulsion π/2 : à cet instant on allume un réseau
stationnaire, qui va faire osciller les atomes autour d’une position fixe. Ensuite, afin de fermer l’interféromètre, les atomes subissent à
nouveau deux impulsions π/2, les deux paires d’impulsions π/2 étant distantes d’une durée T.
Du fait que les atomes sont soumis à la pesanteur, il est nécessaire de changer linéairement au cours du temps la fréquence des
lasers Raman, afin de compenser l’effet Doppler. La pente de cette rampe de fréquence est notée α. On peut monter que la probabilité
P qu’un atome, initialement dans l’état (F=3), se retrouve dans le même état à la fin de l’interféromètre, dépend sinusoïdalement de α,
et que, pour 2πα = k eff g (keff étant la somme des vecteurs d’onde des laser Raman), cette probabilité est indépendante des durées entre
les impulsions Raman. En traçant P(α) pour différentes valeurs des durées entre les impulsions, il est ainsi possible de mesurer
l’accélération de la pesanteur en repérant la frange, appelée frange centrale, correspondant à cette relation.
La figure 1 montre un exemple de mesure de P en fonction de α, pour Tr = 5 ms et T = 24,6 ms. La frange centrale ayant été
déterminée auparavant, cette courbe permet de déterminer la valeur de l’accélération de la pesanteur. Nous avons obtenu ici
g=9,80879+/-2.10-5m/s2, pour des atomes lévitant dans le réseau stationnaire pendant 9,6 ms, soit 8 oscillations de Bloch.
fr a n g e c e n tr a le
0 ,4 0
8 o s c illa tio n s d e
B lo c h
Tr = 5 m s
T = 2 4 ,6 m s
0 ,3 5
P
0 ,3 0
0 ,2 5
0 ,2 0
0 ,1 5
0 ,1 0
2 5 ,1 2
g = 9 ,8 0 8 7 9 + /- 2 .1 0 - 5 m /s 2
2 5 ,1 3
2 5 ,1 4
2 5 ,1 5
2 5 ,1 6
2 5 ,1 7
2 5 ,1 8
α e n M H z /s
Fig. 1 : Exemple de mesure de P(α) permettant de mesurer l’accélération de la pesanteur. T désigne la durée entre les deux paires d’impulsions π/2,
Tr étant la durée entre les deux premières et les deux dernières impulsions.
CONCLUSION
Nous avons réalisé une mesure de principe de l’accélération de la pesanteur avec des atomes oscillant autour d’une vitesse
nulle dans une onde stationnaire. Il est maintenant possible d’envisager un nouveau dispositif expérimental beaucoup plus petit. Cette
nouvelle technique donne accès à une mesure locale de la pesanteur. Ainsi par rapport au gravimètre atomique classique, il est
possible de s’affranchir des fluctuations de la pesanteur et de certaines inhomogénéités expérimentales sur la longueur de chute des
atomes.
RÉFÉRENCES
[1] A. Peters and S. Chu, Nature, 400, 849, 1999.
[2] F. Yver-Leduc, P. Cheinet, J. Fils, A. Clairon, N. Dimarcq, D. Holleville, P. Bouyer, and A. Landragin, J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 5,
S136–S142, 2003.
[3] S. Dimopoulos, P.W. Graham, J.M. Hogan and M.A. Kasevich, Phys. Rev. Lett., 98, 111102, 2007.
[4] M. Cadoret, E. de Mirandes, P. Cladé, S. Guellati-Khélifa, C. Schwob, F. Nez, L. Julien and F. Biraben, Phys. Rev. Lett., 101, 230801, 2008.
[5] P. Cladé, S. Guellati-Khélifa, C. Schwob, F. Nez, L. Julien and F. Biraben, Europhys. Lett., 71, 730, 2005.