Senseurs d’inertie à ondes de matières Des appareils de précision pour la navigation, la géophysique et les tests spatiaux

10/05/2013
Auteurs :
Publication REE REE 2012-4 Dossier Les atomes froids
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-4:4230
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2012-4/4230You do not have permission to access embedded form.

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Senseurs d’inertie à ondes de matières Des appareils de précision pour la navigation, la géophysique et les tests spatiaux

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REE N°4/2012 ◗ 67 les atomes froids Philippe Bouyer LP2N, IOGS, CNRS, Université Bordeaux, Talence Arnaud Landragin SYRTE, Observatoire de Paris, CNRS, Université P&M Curie, Paris Introduction L’idée que la matière puisse être une onde et que les ondes puissent être composées de particules a été énoncée par Louis de Broglie au début du siècle der- nier sous le nom de principe de dualité onde - corpus- cule. Elle constitue l’un des fondements de la théorie de la mécanique quantique. Cent ans plus tard, on sait désormais utiliser ces ondes de matière grâce aux pro- grès fulgurants du refroidissement d’atomes par laser, de l’optique et de l’interférométrie atomique. L’interférométrie à ondes lumineuses, inventée au cours du XIXe siècle par les physiciens pour étudier des phénomènes fondamentaux comme l’existence de l’éther, est devenue aujourd’hui un composant technologique essentiel de notre monde industriel (télémètres laser, gyromètres à fibres, gyromètres lasers…). L’interférométrie à ondes de matières, objet d’intenses recherches dans les laboratoires de physique fondamentale du monde entier, se révèle aujourd’hui, presque 20 ans après les expériences pionnières [1] démontrant la sensibilité inégalée des senseurs inertiels atomiques, comme la technologie potentielle pour la prochaine génération de capteurs inertiels. Plusieurs dizaines de laboratoires dans le monde, ainsi que des compagnies industrielles déve- loppent et commercialisent [2] des capteurs inertiels permettant d’améliorer les systèmes de navigation, d’étudier les propriétés du sous-sol ou d’être embar- qué dans des engins spatiaux. Les interférences atomiques En optique, et plus généralement en mécanique ondulatoire, on parle d’interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagis- sent l’une avec l’autre. Une onde peut se modéliser par une amplitude A dépendant d’une position r, du temps t, d’une fréquence ω et d’une phase ψ : A(r,t) = A(r) cos(ωt +ψ), qui dépend de la position et oscille dans le temps. Mais les détecteurs (y com- pris notre œil) ne sont sensibles qu’a l’intensité lumi- neuse |A(r,t)|2 = A(r)2 . Les interférences peuvent être comprises par un raisonnement mathématique sim- ple. La superposition de deux ondes est la somme des amplitudes A1 (r,t) + A2 (r,t) ; le calcul de l’inten- sité lumineuse fait apparaître le terme d’interférence A1 (r,t) x A2 (r,t) = A1 (r) A2 (r) cos (ω1 t + ψ1 ) cos(ω2 t + ψ2 ). Si les amplitudes oscillent en phase ce terme est maximal, on parle d’interférences constructives ; si elles oscillent en opposition de phase, on parle d’in- terférences destructives. Comme avec la lumière, un interféromètre atomi- que utilise des lames séparatrices pour séparer une Senseurs d’inertie à ondes de matières Des appareils de précision pour la navigation, la géophysique et les tests spatiaux Thanks to the development of sources of laser-cooled atoms, the matter wave interferometry has moved from principle de- monstration to specific studies for various applications, ranging from inertial navigation to geophysics or test of fundamental physics in space. Based on the basic principles of quantum mechanics, this new technology has both a high sensitivity to the forces of inertia and a very high accuracy required for these applications. The first commercial apparatus, developed by the French company µQuans, will be used in geophysics for measuring the gravity. abstract 68 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids onde de matière en deux ondes identiques qui parcourront des chemins différents. Ces lames séparatrices peuvent être réalisées à partir de réseau de fentes microscopiques ou grâce à la manipulation des atomes par laser (voir encadré). Les fran- ges d’interférence à la sortie de l’interféromètre révèlent les différences dans les parcours des deux ondes : un chemin à parcourir plus long pour l’une que pour l’autre, une interaction avec un obstacle pour l’une et non pour l’autre, etc. Pour les ondes de matière, ces petites différences peuvent avoir un ef- fet considérable. En effet, si dans un interféromètre lumineux, les ondes voyagent à la vitesse de la lumière, c’est-à-dire très vite, avec des atomes, c’est différent : les ondes atomiques, beaucoup plus lentes, passent beaucoup plus de temps dans l’interféromètre. Par conséquent, la sensibilité des dispositifs à interférences atomiques vis-à-vis des éventuelles interactions auxquelles les atomes sont soumis peut être jusqu’à 100 mil- liards de fois supérieure à la sensibilité des dispositifs optiques. On met alors à profit cette sensibilité exceptionnelle pour mesurer avec une grande précision, par exemple, l’effet d’un champ électrique ou magnétique sur l’atome, des constantes fondamentales de la physique (constante de structure fine α ou constante gravitationnelle G), ou encore la rotation ou l’accélération subie par l’interféromètre qui devient alors un senseur inertiel ultrasensible [3]. Se diriger grâce aux atomes Les interféromètres à onde de matière sont de formida- bles outils pour le guidage et la navigation inertielle. Pour se Encadré 1 : Principe d’un senseur inertiel atomique. Principe d’un senseur inertiel atomique Un senseur inertiel à ondes de matière utilise une succession d’impulsions lumineuses, symbolisées par les trois paires de flèches sombres et claires sur la figure de gauche. La première impulsion est ajustée pour dédoubler l’onde de matière initiale en deux ondes atomiques qui se propagent suivant deux chemins séparés. Une seconde interaction avec la lumière va simplement modifier les directions des ondes sans les dédoubler afin qu’elles se recroisent. La dernière impulsion va à nouveau dédoubler les deux ondes incidentes pour les recombiner : on obtient alors un interféromètre atomique. Un dé- tecteur collecte la fluorescence des atomes lorsqu’ils sont éclairés par un faisceau sonde et permet de compter le nombre d’atomes dans chaque bras de sortie de l’interféromètre. Pour comprendre la sensibilité inertielle, il faut constater que lorsque l’impulsion laser dévie l’onde de matière, elle « déphase » cette onde d’une quantité qui correspond à la position classique des atomes au moment de cette impulsion. Le laser agit ainsi comme une règle dont la graduation est égale à la longueur d’onde optique λ, soit environ 1 µm. Entre deux impulsions successives séparées d’un temps T, ce déphasage cumulé correspond à la distance parcourue entre les impulsions. Après les trois impulsions de l’interféromètre, c’est directement la variation de cette distance qui est lue à la sortie de l’interféromètre : si la distance a varié de λ l’interféromètre se décale d’une frange. Le déphasage cumulé est alors proportionnel au produit de l’accélération a et de T2 /λ. Comme on connaît très bien T et λ, on mesure l’accélération en observant directement la probabilité d’avoir été dévié à la sortie de l’interféromètre lorsque l’on fait varier l’accélération (franges d’interférences représentées sur la figure de droite). Ainsi, si l’on peut détecter des variations de probabilité avec une précision de 1 pour 1 000, la précision de la mesure d’accélération sera de l’ordre de λ/(30T2 ) : pour un temps de mesure de 0,1 s on pourra mesurer des accélération aussi petites que 100 nm/s2 , soit 10 milliardièmes de l’accélération de la gravité terrestre ! En moyennant des mesures successives, un gravimètre peut même atteindre une précision sur la mesure de la gravité terrestre à 1 milliardième en quelques minutes. REE N°4/2012 ◗ 69 Senseurs d’inertie à ondes de matières. Des appareils de précision pour la navigation, la géophysique et les tests spatiaux. positionner dans l’espace, et ainsi se diriger d’un point de dé- part vers une destination précise, les navigateurs ont toujours utilisé la référence à des objets extérieurs dont la position est par ailleurs connue. C’est le cas du GPS qui se réfère à des satellites artificiels dont la position est parfaitement maîtrisée. Sans ces références extérieures, la navigation re- pose alors sur une estimation de la direction et de la vitesse de déplacement, et toute imprécision conduit inévitablement à une erreur de destination. La navigation inertielle répond efficacement à cette problématique, mais les appareils uti- lisés (des accéléromètres et des gyroscopes) doivent être dépourvus d’erreur de mesure. C’est un des principaux avan- tages des senseurs inertiels atomiques. Mais réaliser concrètement une centrale inertielle atomi- que [4] est un défi en soi et jusqu’à récemment, les inter- féromètres atomiques étaient uniquement des expériences de laboratoire. Occupant une pièce entière, ces expériences nécessitent des conditions thermiques extrêmement stables. De plus, les interféromètres étant par définition sensibles aux perturbations comme les vibrations, il est nécessaire d’utiliser des dispositifs d’amortissement perfectionnés. Comment dans ces conditions utiliser les ondes de matiè- re pour guider un sous-marin ou un avion ? Les progrès dans la technologie des composants (en particulier des systèmes laser) et dans la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu permettent depuis quelques années aux inter- féromètres de sortir de leur cocon. Plusieurs prototypes de gravimètres déplaçables ont ainsi vu le jour, permettant de mesurer la gravité à des endroits différents et de participer à des campagnes de comparaison [5] ou de mesure dans des observatoires de géophysique. Après des premiers tests dans un camion (à Stanford aux USA), un senseur inertiel atomi- que vient d’être utilisé pour la première fois [6] pour enregis- trer en continu l’accélération d’un avion en vol (figure 1). Observer le sous-sol grâce à des gravimètres à ondes atomiques Un autre des ces senseurs inertiels consiste à mesurer exclusivement l’accélération verticale subie par les atomes. L’interféromètre à onde de matière devient alors un gravi- mètre atomique tellement précis qu’il permet de détecter les infimes fluctuations de l’accélération de la gravité g induites par les marées, soit quelques dizaines de milliardièmes de g [8]. Les applications sont nombreuses pour ces appareils qui sont aujourd’hui commercialisé par une PME française (figure 2). Cartographier le champ de pesanteur permet d’avoir des informations indirectes sur la composition du sol. Une masse de granite ou une nappe de pétrole, par exemple, auront des densités différentes, et contribueront à des valeurs mesurées de g légèrement différentes en surface. La prospection mi- nière et pétrolière peut donc bénéficier de telles mesures locales de g. De même, en plaçant un gravimètre sur le flanc d’un volcan, on peut surveiller son activité : si des poches de magma se forment ou disparaissent proche de la surface, g sera modifié. Enfin, les gravimètres atomiques peuvent servir à enregistrer l’activité sismique du lieu où ils sont positionnés et ainsi contribuer à une meilleure compréhension, voire une prévision des séismes. Conclusion Vastes sont les applications de cette nouvelle technologie utilisant des atomes à une température tellement basse qu’ils se comportent comme des ondes. La précision de ces nouveaux détecteurs de grandeurs inertiels est telle qu’ils permettront de- Figure 1 : Réaliser l’expérience dans un avion suppose de relever les défis technologiques, consistant à sortir les interféromètres atomiques du laboratoire, et de comprendre les effets physiques pour atteindre le niveau de performance visée. L’équipe du projet ICE a réussi à faire fonctionner un accéléromètre à ondes de matière à bord de l’Airbus 0-g de la société Novespace. C’était la première fois qu’un interféromètre atomique fonctionnait en apesanteur ou même dans un véhicule en déplacement. Figure 2 : Premier gravimètre à onde de matière disponible commercialement, le gravimètre de précision AQG de la société µQuans [7] de Pessac permettra de détecter des variations de l’accélération de la pesanteur de 1 ppm. Le premier produit devrait bientôt équiper le réseau RESIF de gravimétrie française. 70 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids main de cartographier précisément le sous-sol pour rechercher des ressources naturelles. Mais c’est surtout leur grande stabilité dans le temps qui distingue ces senseurs inertiels. Installés plu- sieurs années dans un satellite en orbite autour de la terre, ils pourraient permettre de tester un des fondements d’une des plus célèbres théories modernes : la relativité générale. Instal- lés en réseaux dans des laboratoires souterrains, ils pourraient pendant de long mois observer les infimes variations du champ de gravité et ainsi détecter aussi bien les migrations des nappes d’eaux souterraines que l’agrégation de deux trous noirs à des années lumière de la terre (figure 3). Références [1] P. Berman, “Atom Interferometry”, Academic Press (1997). [2] www.miniatom.fr [3] P. Bouyer, « Interférométrie atomique », Editions Universi- taires Européennes. N° ISBN : 9786131547300. [4] http://www.metrologie-francaise.fr/publications/revue_ francaise_metrologie/2007-02/P11-16-RFM10-Langragin. pdf ; B. Canuel, F. Leduc, D. Holleville, A. Gauguet, J. Fils, A. Virdis, A. Clairon, N. Dimarcq, Ch. J. Bordé, A. Landragin & P. Bouyer, “Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry”, Phys. Rev. Lett. 97, 010402, (2006). [5] Z. Jiang & al., “The 8th International Comparison of Absolute Gravimeters 2009: The First Key Comparison. (CCM.G-K1) in the Field of Absolute Gravimetry”, Metrologia 49, 666-684 (2012). [6] www.ice-space.fr; R. Geiger, V. Ménoret, G. Stern, N. Zahzam, P. Cheinet, B. Battelier, A. Villing, F. Moron, M. Lours, Y. Bidel, A. Bresson, A. Landragin & P. Bouyer,” Detecting Inertial Effects with Airborne Matter-Wave Interferometry”, Nature Communications 2, 474 (2011). [7] www.muquans.com [8] S. Merlet, Q. Bodart, N. Malossi, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, O. Gitlein & L. Timmen, “Comparison between two Mobile Absolute Gravimeters: Optical Versus Atomic Interferometers”, Metrologia 47, L9-L11 (2010). [9] https://sites.google.com/site/migaproject/project- definition [10] http://en.wikipedia.org/wiki/STE-QUEST Figure. 3 : Le projet d’antenne gravitationnelle basée sur l’interférométrie atomique MIGA [9] consiste à construire au sein du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit à Rustrel un réseau d’interféromètres à ondes de matière connectés par un même faisceau laser. Les applications de la MIGA s’étendent de la surveillance de l’évolution du champ gravitationnel à la détection des ondes gravitationnelles. En combinant les applications à la géophysique et la physique fondamentale dans un seul instrument, MIGA permettra de franchir une étape sans précédent dans la compréhension de phénomènes géophysiques et permettra d’améliorer les actuels et futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles. les auteurs Arnaud Landragin est directeur de recherche CNRS au sein du laboratoire SYstèmes de Référence Temps Espace de l’observa- toire de Paris. Après une thèse de doctorat, soutenue à l’univer- sité Paris XI à Orsay en 1997, il a effectué un séjour de deux ans à l’université de Yale où il a débuté son activité de recherche en interférométrie atomique. Il a ensuite intégré le CNRS où il est actuellement responsable d’une équipe travaillant sur le dévelop- pement de nouveaux concepts d’interféromètre atomique et leur caractérisation en tant que capteur inertiel. Il est co-fondateur de la société µQuans. Philippe Bouyer (www.philippebouyer.fr), directeur de recher- che au CNRS, est directeur du Laboratoire Photonique Numé- rique Nanosciences de l’Institut d’Optique Graduate School à Bordeaux. Après une thèse de doctorat au Laboratoire Kastler Brossel de l’Ecole normale supérieure, il a effectué un séjour de deux ans à l’université de Stanford où il a participé aux expérien- ces pionnières sur les senseurs inertiels à ondes de matière. Il a ensuite intégré le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique où il s’est consacré à l’étude des sources atomiques cohérentes utilisant les condensats de Bose-Einstein et à leurs applications aux simulateurs quantiques, aux senseurs inertiels et à la physi- que fondamentale dans l’espace. Il est co-fondateur de la société µQuans et a obtenu en 2012 le grand prix de la fondation Louis D de l’académie des Sciences.