Atomes froids et mesures de précision

Mesurexpo, 0 Juin 010 Atomes froids et mesures de précision Pierre LEMONDE 1

Atomes froids et mesures de précision L interférométrie : optique / atomique Les horloges atomiques Capteurs inertiels : la gravimétrie Quelques applications

Atomes froids et mesures de précision L interférométrie : optique / atomique Les horloges atomiques Capteurs inertiels : la gravimétrie Quelques applications 3

L interférométrie optique Sortie 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 4

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 5

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. 6

Atomes froids et mesures de précision L interférométrie : optique / atomique Les horloges atomiques Capteurs inertiels : la gravimétrie Quelques applications 7

Principe de fonctionnement d une horloge atomique correction Oscillateur (à quartz, laser, ) ν Fréquence f : Instable Stable ASSERVISSEMENT Inexacte Exacte REFERENCE ATOMIQUE ν 0 E ν E 1 f 0 f h ν 0 = E E 1 De très nombreux types d horloges atomiques, du m 3 au cm 3 8

La stabilité de fréquence ν = ν 0 [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 σ y (sans dimension) (in)exactitude : Incertitude sur la valeur de ε 9

Les fontaines à atomes froids σ y (τ) =. 10-14 τ -1/ Inexactitude δε = qq 10-16 10

Bruits et effets systématiques ν = ν 0 [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!) 11

Bruits et effets systématiques ν = ν 0 [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 nd ordre : υ = v Vitesses réduites (refroidissement laser) c 1

Précision de la mesure du temps 1s/j 1ms/j 1µs/j Gain : 1 facteur 10 tous les 10 ans 1ns/j 1ps/j 1600 1700 1800 1900 000 fontaines actuelles horl.. optiques 13

et après les fontaines à atomes froids L espace: PHARAO : horloge à atomes froids sur ISS en 013 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 14

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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 : 1 D z = - g t Laser Miroir de référence I I ( t) µ cos t p ( g t ) l Exactitude : 10-9 g (FG5) 16

Gravimètres absolus : ) gravimètre atomique p z 0 T T p D A p+ ħ k eff I II C π/ π π/ B t α p β p+ ħ k eff Principe : interféromètre à ondes de matière Laser 1 Nuage d'atomes en chute libre Pulse 1 z = 0 Mesure du déplacement le long d'une onde lumineuse stationnaire ("règle" verticale) Pulse 1 z ( T ) = gt Φ int = k r ur eff g T Pulse 3 z ( T ) = gt Laser Miroir 17

Dispositif Laser 1 Pulse 1 z = 0 87 Rb D-MOT λ/4 σ + σ - L : repumper / Raman 1 L3 : cooling / Raman Pulse 1 z ( T ) = gt 3D-MOT 10 7 atoms in 50 ms T atoms ~ µk Detection Pulse 3 z ( T ) = gt λ/4 σ - σ + retro-reflection mirror seismometer Laser Mirror isolation platform 18

Quelques résultats δg (µgal) 100 50 0-50 -100 5530 55303 55304 55305 MJD Excellent accord mesures-modèle de marée Marées luni-solaires : ± 100 µgal (1 µgal = 10-8 m.s -, ou ~10-9 g) Acceleration (µm/s ) 60 40 0 0-0 -40-60 1000 1100 100 1300 1400 1500 Time (s) Séisme, Chine le 0 mars 008 (7.7) 19

Comparaison gravimètres optique et atomique Accord à 4 µgal Exactitude à 6 µgal 0

Gravimètre Gyromètre 1

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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? Positionnement / Navigation : g - GPS, GALILEO 1 ns = 30 cm - Navigation inertielle Géophysique : Rotation terrestre, potentiel/champ de pesanteur Recherche pétrolière 1.0 0.5 0.0 Time (UTC) 3 07:1 07:4

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 4