Interféromètre Atomique - Gravimètre à atomes froids

Dans le cadre du projet de balance du watt du Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), le LNE-SYRTE réalise un gravimètre absolu. Il permettra de réaliser une mesure de l'accélération de la pesanteur g au voisinage de la balance, avec une exactitude relative de 10^-9. Par ailleurs, afin de limiter l’incertitude sur le transfert de g entre la station de mesure et la masse d’épreuve de la balance, nous réalisons un travail de caractérisation gravimétrique des laboratoires du LNE à Trappes.

Le gravimètre absolu repose sur des techniques d'interférométrie atomique avec des atomes froids. Dans un premier temps, quelques 10⁷ atomes sont capturés dans un piège magnéto-optique. Les atomes sont refroidis à une température de l'ordre du µK, avant d'être relâchés. Pendant leur chute libre, ils sont soumis à une série de trois impulsions laser, qui séparent et recombinent les paquets d'onde atomique. Finalement, le déphasage entre les deux bras de l'interféromètre, qui est proportionnel à g, est déduit de la mesure de l'état atomique en sortie de l'interféromètre.

Schéma de principe du gravimètre atomique.

Photographie du nouveau dispositif. L'enceinte à vide est maintenue à l'aide d'un support constitué de plateaux et de trois piliers cylindriques fixés sur une plaque en aluminium. A droite, on trouve le piège magnéto-optique à deux dimensions, qui charge le PMO 3D situé dans la partie supérieure de l'enceinte. Dans la partie inférieure de l'enceinte, on distingue les deux systèmes optiques de détection (noirs). L’ensemble est placé sur une plaque en aluminium qui repose sur une plateforme d’isolation passive.

La sensibilité de notre instrument est limitée par les vibrations parasites. Nous avons mis au point une technique de réjection des vibrations originale, qui combine une isolation passive et une correction du bruit d’accélération du sol à l’aide d’une mesure indépendante réalisée avec un sismomètre très bas bruit. Cette technique nous permet d’atteindre une sensibilité de 2 × 10^-8 g sur une seconde, ce qui est comparable à l'état de l’art des gravimètres absolus classiques, et ce, en dépit d’un environnement urbain assez bruyant et d’une distance de chute des atomes relativement faible (de l’ordre de 10 cm seulement). Un tel niveau de performances permet à notre gravimètre de résoudre les faibles variations temporelles de g liées aux marées luni-solaires, mais aussi les vibrations du sol liées aux ondes sismiques lors de tremblements de terre.

Ondes sismiques détectées pendant le tremblement de terre de magnitude 7.7 survenu en Chine le 20 mars 2008.

Un nouveau dispositif expérimental est opérationnel depuis l’été 2009. Une nouvelle enceinte à vide a été réalisée, à laquelle nous avons apporté de nombreuses améliorations, ce qui nous permet d'améliorer les performances du gravimètre : meilleure exactitude, meilleure stabilité long terme.

La figure suivante présente les fluctuations du signal mesuré par le gravimètre pendant douze jours de mesures en continu, en novembre 2010. Les variations de g mesurées par le gravimètre sont en excellent accord avec un modèle de marée. La stabilité long terme est excellente : l'écart type d'Allan des fluctuations de g, corrigées des effets systématiques, décroît jusqu’à 7 10^-10 g, limité par notre modèle de marées. L'étude de l'exacitude a montré le rôle prépondérant des défauts de fronts d'ondes des lasers réalisant les sépartrices atomiques. Nous explorons actuellement la possibilité de réduire cet effet en utilisant une source atomique plus cohérente (un Condensat de Bose Einstein).


Fluctuations de la mesure de g enregistrée par le gravimètre pendant 12 jours en novembre 2010. Mesures en carrés noirs, modèle de marée en trait plein rouge.	Ecart type d'Allan des fluctuations de g, après correction de la marée.

Mesures de gravité réalisées par le gravimètre atomique et le FG5#220 dans la nuit du 1^er au 2 Octobre 2009.

Nous avons réalisé trois campagnes de comparaison. La première a été réalisée en septembre 2009 au BIPM dans la cadre d’ICAG 2009, 8ème campagne internationale de comparaisons de gravimètres absolus. Nous avons réalisé des mesures de gravité sur 3 stations situées dans une salle (dite B). Les résultats sont en cours d’analyse, et seront disponibles officiellement dans quelques mois.

A l’issue de ces mesures, le gravimètre a été installé dans le laboratoire de la balance du watt à Trappes, dans la salle qui lui est dédié. Nous y avons accueilli le gravimètre FG5#220 de l’Université Leibniz d’Hanovre. Nous avons réalisé des mesures simultanées pendant trois jours. Les résultats de la mesure pendant la nuit du 1er au 2 Octobre 2009 sont présentés sur la figure suivante, qui montre les mesures de g, corrigées de tous les effets systématiques, sauf des effets de marée. On trouve un bon accord entre les mesures : la différence entre les deux instruments, une fois les mesures ramenées au même point, est de (4,3±6,4) µGal.

Dans le projet de balance du watt, g doit être donnée au centre de la masse impliquée dans la mesure. Il est donc nécessaire de transférer la valeur absolue de g donnée par le gravimètre atomique à la position de cette masse. Pour assurer ce transfert, nous caractérisons les variations de gravité dans les deux salles voisines dans lesquelles seront disposées les deux expériences.

Deux massifs en béton identiques (6 m × 5,5 m × 2 m) ont été construits dans ces salles spécialement conçues pour la métrologie. Ils sont ancrés dans des couches stables du sous-sol (Sable de Fontainebleau) par des pieds de 12 m de long. Cette structure permet de garantir la stabilité des expériences et agît comme un filtre passe-bas pour les vibrations.


Salles et massifs de la balance du watt et du gravimètre atomique. Les points noirs sont destinés à accueillir d’autres gravimètres absolus pour effectuer des comparaisons.	Spectre du bruit d’accélération mesuré sur le massif et à côté du massif. Le bruit de vibration est réduit sur le massif pour les fréquences supérieures à 20 Hz.

Sur ces massifs, nous avons réalisé une cartographie de la gravité en 3 dimensions à l’aide d’un gravimètre relatif Scintrex CG-5. Basée sur cette cartographie, nous avons développé un modèle du champ de gravité local permettant de connaître les différences de gravité entre les différents points des deux salles avec une incertitude de 3 µGal (1 µGal = 10^-8 m.s^-2). La contribution du transfert de g au bilan d’exactitude de la balance du watt sera donc de 3.10^-9.

Lorsque les expériences en cours le permettent, nous accueillons d’autres gravimètres absolus afin de comparer les instruments. Cela nous a également permis de disposer de premières mesures absolues de g aux endroits où seront placés la balance du watt et le gravimètre absolu. Les mesures obtenues avec trois gravimètres FG5 sont de 980 890 740 ± 3 µGal au centre de la dalle dédiée à la balance du watt et de 980 890 744 ± 4 µGal au centre de la dalle dédiée à la gravimétrie. A la hauteur de mesure des FG5, notre modèle donne une différence de gravité de 3 ± 3 µGal cohérente avec ces mesures absolues.