Interféromètre Atomique

Le but de ce nouveau projet est de réaliser des mesures d’interactions à faible distance en utilisant des techniques d’interférométrie atomique. Cette expérience permettra de réaliser des mesures précises de gravité à courte distance, à la recherche d’éventuelles déviations aux lois connues. Ce type de violation est lié aux possibles nouvelles interactions de type gravitationnel avec des portées de l’ordre du micron, postulées dans nombreuses théories d’unification. La mesure de ce type d’interactions est une des voies possibles pour l’observation des premiers signaux expérimentaux de la physique nouvelle au-delà du modèle standard.

Le projet FORCA-G se propose de fournir des contraintes (ou de mettre en évidence une violation) dans le domaine de l’infiniment petit, en ciblant la zone d’intérêt particulier autour du micron. Un modèle phénoménologique simple décrit une éventuelle nouvelle interaction comme une modification du potentiel newtonien par un terme de type Yukawa :

où U_N est le potentiel Newtonien, et α et λ sont l’amplitude et la portée de la nouvelle interaction. Les objectifs de ce projet sont l’amélioration des sensibilités actuelles sur α dans la gamme des portées allant de 100 nm à 10 μm, et une mesure précise (ainsi qu’une bonne annulation) du potentiel Casimir-Polder entre un atome et une surface. Ce dernier effet, qui constitue une des limitations principales pour la mesure de nouvelles interactions, mérite en effet d’être étudié pour lui-même : il s’agit en fait de la manifestation la plus accessible à l’échelle macroscopique des fluctuations quantiques du vide.

Schéma de principe de l'expérience.

Nous avons dans un premier temps démontré la réalisation d’un interféromètre atomique piégé dans un réseau vertical loin de toute surface. Le principe de l’expérience (F. Pereira Dos Santos et al.) repose sur la proposition théorique de P.Wolf et al, Phys Rev A 75, 063608 (2007). Notre système est constitué d’atomes froids de ⁸⁷Rb refroidis par laser et piégés dans la bande fondamentale d’un réseau optique 1D vertical. La différence de potentiel entre deux puits adjacents du réseau définit la fréquence de Bloch du système ν_B = m_ag λ_l/2h où λ_l est la longueur d’onde du réseau, m_a la masse atomique, g l’accélération de la pesanteur terrestre et h la constante de Planck. Les états propres de ce système |W_m> appelés états de Wannier-Stark (WS) forment une échelle d’états localisés séparés en énergie par la fréquence de Bloch et indexés par le nombre quantique m définissant le site du réseau contenant le centre de la fonction d’onde spatiale.

Des transitions Raman contrapropagantes impliquant les deux états hyperfins |g>=|5²S_1/2,F=1,m_F=0> et |e>=|5²S_1/2,F=2,m_F=0> nous permettent d’induire des transitions entre états de WS séparés par un nombre Δ_m de sites du réseau : |g,W_m> -> |e,W_m+Δ_m> aux fréquences Raman : ν_R =ν_HFS +/-Δ_m x ν_B où ν_HFS est la fréquence hyperfine. Un interféromètre de type Ramsey effectué sur une transition impliquant deux sites du réseau nous permet de mesurer la fréquence de Bloch du système. Pour un temps d’interrogation de 400 ms et un temps de cycle de 1.4 s, l'incertitude statistique relative sur la mesure de la fréquence de Bloch est de 7x10^-5. Un tel résultat permettrait, une fois les atomes sélectionnés dans un seul puits du réseau et placés à une distance de l’ordre de quelques micromètres du miroir définissant l’onde stationnaire, de mesurer la force de Casimir Polder avec une incertitude statistique de l’ordre de 1% pour un temps de mesure de 1000 s.

Spectre Raman de la probabilité de transition entre |g> et |e> en fonction de la fréquence Raman ν_R. La présence de transitions à des fréquences Raman égales à la fréquence hyperfine plus un nombre entier de fréquences de Bloch (ν_B = 569 Hz pour notre système) sont la signature d’un déplacement des atomes entre les sites du réseau.

Photo de l'expérience.

Dès lors que le potentiel de Casimir Polder peut être précisément modélisé, le déphasage de l’interféromètre peut être corrigé de cet effet, ce qui permet alors de mesurer la force d’attraction gravitationnelle entre l’atome et le miroir, et de réaliser un test d’une éventuelle déviation à la loi de Newton. Pour des distances de l’ordre de 10 microns, il est possible de corriger le potentiel de Casimir Polder au niveau du %, et donc de s’affranchir de cet effet à un niveau comparable à l’incertitude de la mesure. La mesure corrigée révèle alors la présence d’une interaction nouvelle, ou du moins permet de borner son amplitude. Lorsqu’on s’approche davantage de la surface, l’effet de ce potentiel domine très largement les effets gravitationnels, et il devient nécessaire de corriger le potentiel de Casimir Polder avec une précision que les modèles actuels ne permettent pas d’atteindre. Il est cependant possible de s’affranchir de ce potentiel dans une large mesure en réalisant une mesure différentielle à l’aide de deux isotopes différents (⁸⁵Rb et ⁸⁷Rb), pour lesquels les effets de Casimir sont pratiquement identiques, aux effets isotopiques près. Nous prévoyons d’améliorer significativement la qualité de ces tests à des distances de 100 nm à 10 microns, de 2 à 3 ordres de grandeur.