Des atomes ultrafroids dans un gravimètre atomique Ultracold

Des atomes ultrafroids dans un gravimètre atomique
Ultracold atoms in an atom gravimeter
Nom du laboratoire: Systèmes de Référence Temps-Espace (SYRTE)
Directeur de thèse: Sébastien Merlet/ Franck Pereira Dos Santos
E-mail: [email protected] Téléphone: + 33 1 40 51 23 93
Site internet: http://syrte.obspm.fr/tfc/capteurs_inertiels
Adresse: Observatoire de Paris, 61 av de l’Observatoire, 75014 PARIS
Résumé
Le SYRTE développe depuis plusieurs années un gravimètre atomique dont le principe de fonctionnement
repose sur des techniques d’interférométrie atomique. C’est aujourd’hui un instrument dont les performances
constituent l’état de l’art de cette technologie, et un instrument de référence à l’échelle internationale. Il a démontré
une meilleure sensibilité court-terme de 5.7 10-9 g à 1s, deux fois meilleure que l’état de l’art classique, constitué par
un gravimètre optique « à coin de cube ». L’exactitude de la mesure est quant à elle actuellement estimée à 4×10-9g.
Elle a été validée à plusieurs reprises au cours de campagnes de comparaisons internationales de gravimètres absolus,
au cours desquelles notre instrument a été jusqu’à présent l’unique représentant de la technologie « atomique ». Les
limites de cette exactitude sont identifiées : elles sont aujourd’hui liées principalement à l’accélération de Coriolis et
aux effets d’aberrations des fronts d’onde des lasers. Ces deux effets sont liés aux trajectoires transverses des atomes
pendant la chute libre, liées à la température résiduelle des atomes de l’ordre de 2 µK.
L’objectif de la thèse est d’améliorer l’exactitude de l’instrument, en utilisant une source d’atomes plus froids,
obtenue par refroidissement évaporatif dans un piège dipolaire. Ce piège optique sera généré par un laser à fibre à 1.5
µm de forte puissance. Le travail de la thèse portera notamment sur l’optimisation de la phase de préparation de la
source, avec comme objectif de raccourcir la durée de la phase d’évaporation afin de ne pas diminuer dramatiquement
le taux de répétition de la mesure. On étudiera ensuite le gain obtenu en termes de contrôle des paramètres de
trajectoires (dispersion de vitesse, stabilité de vitesse transverse, fluctuations de position initiale). Nous effectuerons
en particulier des mesures de la phase de l’interféromètre en fonction de la température de l’échantillon, jusqu’à des
températures de l’ordre du nanoKelvin. Un inconvénient attendu avec de telles sources d’atomes ultrafroides, qui sont
beaucoup plus denses, réside dans les effets d’interaction entre les atomes qui peuvent induire des biais significatifs
sur la mesure de gravité. L’environnement extrêmement bien contrôlé de notre instrument nous permettra d’étudier
de façon précise ces effets et de déterminer dans quelle mesure ils pourraient limiter à leur tour l’exactitude de la
mesure.
Par ailleurs, l’utilisation d’une source d’atomes plus froids ouvre de nouvelles perspectives. Dans notre
gravimètre, les séparatrices atomiques sont réalisées à l’aide de transitions Raman stimulées, qui sont des transitions à
2 photons, simples à mettre en place et efficaces. Il est cependant possible d’augmenter sensiblement les
performances de ces instruments en augmentant la séparation entre les deux bras de l’interféromètre, à l’aide de
transitions multi-photoniques. Ces séparatrices sont basées sur la diffraction des atomes dans un réseau optique en
mouvement. Pour être efficaces, ces processus nécessitent une dispersion en vitesse de la source atomique qui doit
être « subrecul », ce qui correspond à des températures inférieures au µK. Ce régime de température, inaccessible
avec des techniques de refroidissement laser conventionnelles, peut être facilement atteint grâce au refroidissement
évaporatif. Nous implémenterons ces techniques dans notre expérience pour gagner deux ordres de grandeur sur la
séparation des paquets d’onde dans l’interféromètre et donc sur le facteur d’échelle du gravimètre. Des premières
mesures de l’accélération de la pesanteur seront réalisées dans cette nouvelle configuration d’interféromètre et
comparées avec les valeurs obtenues dans la géométrie classique. Une étude des effets systématiques associés sera
entreprise, qui permettra d’évaluer l’apport de ces nouvelles techniques pour la gravimétrie.