Atomes froids et mesures de précision -...

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Atomes froids et mesures de précision

Pierre LEMONDE

Mesurexpo, 02 Juin 2010

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• L’interférométrie : optique / atomique• Les horloges atomiques• Capteurs inertiels : la gravimétrie• Quelques applications


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SOURCE

LUMINEUSE

Sortie 1

Sortie 2

L’interférométrie optique

déphasage

Intensité

Suivant la configuration d’interféromètre, le dépha sage dépend :

� d’une vitesse de rotation

� d’une différence de longueur

VIRGO

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L’interférométrie atomique

déphasage

Probabilitéde transition

Suivant la configuration d’interféromètre, le déphasage dépend :� d’une fréquence� d’une vitesse de rotation� d’une accélération (pesanteur)

Horloge

Gyromètre

Gravimètre

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L’interférométrie atomique et les atomes froids

T

� Le déphasage est d’autant plus grand que la durée d’interaction T est importante

�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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Principe de fonctionnement d’une horloge atomique

Oscillateur

(à quartz, laser, …)

Fréquence f :

Instable

Inexacte

ν

νν0

E2

E1

h ν0 = E2 –E1

REFERENCE ATOMIQUE

f0 f

ASSERVISSEMENT

correctionFréquence f :

Stable

Exacte

� De très nombreux types d’horloges atomiques, du m 3 au cm 3 ……

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La stabilité de fréquence

ν = ν0 [1 + ε + y(t)]

Fréquence délivrée par

l’horloge

Fréquence de résonance

idéale

Inexactitude

(biais de fréquence)

Instabilité

(bruit de fréquence)

� (in)stabilité :

Amplitude des fluctuations y(t) (stabilité de fréquence)

Estimée par un écart-type σy (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)]

� 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 !)

La fréquence dépend de l’environnement électromagnétique :

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ν = ν0 [1 + ε + y(t)]

� Effet Doppler du 1er ordre :

� 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 :

� Vitesses réduites (refroidissement laser)

La fréquence dépend du mouvement des atomes :

cv=∆υ

2

2

2cv=∆υ

Bruits et effets systématiques

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1µs/j

1ms/j

1ns/j

1s/j

horlhorl . optiques. optiques

Précision de la mesure du temps

1ps/j

fontaines actuellesfontaines actuelles

Gain : 1 facteur 10 tous les 10 ans

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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Gravimètres absolus : 1) gravimètre optique

Exactitude : 2·10-9 g (FG5)

Miroir de référenceLaser

t

I

Coin de cube

Principe : interferomètre de Michelson avec un coin de cube en chute libre

Différence de marche :

212

z tD = - g

( )2( ) cosI t g tpl

µ

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Principe : interféromètre à ondes de matière

Nuage d'atomes en chute libre

Mesure du déplacement le long d'une onde lumineuse stationnaire ("règle"

verticale)

Gravimètres absolus : 2) gravimètre atomique

Miroir

0=z

2

21

)( gTTz =

22)2( gTTz =

Laser 2

Laser 1

Pulse 1

Pulse 2

Pulse 3

tz

β |p+ ħ keff ⟩α |p⟩

π/2

|p⟩

|p+ ħ keff ⟩A

BC

D

0 T 2T

|p⟩

π π/2

I

II

tz

β |p+ ħ keff ⟩α |p⟩

π/2

|p⟩

|p+ ħ keff ⟩A

BC

D

0 T 2T

|p⟩

π π/2

I

II

2int Teffk g∆Φ = − + Φ + Φ

r ur

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Mirror

0=z

2

2

1)( gTTz =

22)2( gTTz =

Laser 2

Laser 1

Pulse 1

Pulse 2

Pulse 3

Mirror

0=z

2

2

1)( gTTz =

22)2( gTTz =

Laser 2

Laser 1

Pulse 1

Pulse 2

Pulse 3

2D-MOT

3D-MOT107 atoms in 50 msTatoms~2 µK

L2 : repumper / Raman 1L3 : cooling / Raman 2

retro-reflectionmirror

87Rb

λ/4

σ+

σ-

σ-

σ+

λ/4

isolationplatform

seismometer

Detection

2D-MOT

3D-MOT107 atoms in 50 msTatoms~2 µK

L2 : repumper / Raman 1L3 : cooling / Raman 2

retro-reflectionmirror

87Rb

λ/4

σ+

σ-

σ-

σ+

λ/4

isolationplatform

seismometer

Detection

Dispositif

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Quelques résultats

Séisme, Chine le 20 mars 2008 (7.7)

1000 1100 1200 1300 1400 1500-60

-40

-20

0

20

40

60

Acc

eler

atio

n (µ

m/s

2 )

Time (s)55302 55303 55304 55305

-100

-50

0

50

100

δg (

µG

al)

MJDExcellent accord mesures-modèle de maréeMarées luni-solaires : ± 100 µGal (1 µGal = 10-8 m.s-2, ou ~10-9 g)

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Comparaison gravimètres optique et atomique

Accord à 4 µGalExactitude à 6 µGal

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Gravimètre Gyromètre

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Mesures de haute précision avec des atomes froids - Applications

Métrologie fondamentale :

Echelles de temps atomique, temps légalRedéfinition des unités (s, kg)Constantes fondamentales ( α, G)

Positionnement / Navigation :

- GPS, GALILEO � 1 ns = 30 cm- Navigation inertielle

Tests de physique fondamentale :

Tests de la relativité générale :- les constantes fondamentales sont-elles constantes ?- les corps (atomes) tombent-ils tous de la même faç on ?- la loi de la gravitation est-elle vraie à toutes le s échelles ?

Géophysique :

Rotation terrestre, potentiel/champ de pesanteurRecherche pétrolière

0.0

0.5

1.0

Time (UTC)07:12 07:42

g

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Interférométrie atomique & Mesures de précisions - P erspectives

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 d ans systèmes embarqués

Projets sol :

- Amélioration du compromis Performance / Encombreme nt

- Métrologie fondamentale (redéfinition des unités)

- Tests de physique fondamentale : relativité général e, gravitation à très courte distance

� Horloges atomiques, gyromètres, accéléromètres, gra vimètres, gradiomètres, magnétomètres, …

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