Gradiomètrie atomique ultrasensible

Le cadre général de l’étude est celui de l’exploitation des techniques d’interférométrie atomique pour la mesure du champ de pesanteur terrestre depuis des satellites en orbite. L’utilisation de tels capteurs dans l’espace permettra d’augmenter drastiquement la durée de l’interféromètre par rapport aux conditions d’opération sur Terre. Étendre la durée de l’interféromètre dans la gamme des secondes permettra d’atteindre des sensibilités intrinsèques inatteignables sur Terre, et offre en particulier la possibilité de réaliser des mesures de gravité avec une résolution meilleure que les précédentes missions de cartographie du champ de pesanteur terrestre.

En particulier, des gradiomètres atomiques avec des sensibilités dans la gamme des mE/Hz^1/2 (1E=10^-9s^-2) sont envisagés, basés sur des architectures d’interféromètres relativement classiques, dont les performances en termes de taux de cycle et de taux de préparation d’atomes ultra froids seront cependant poussées à l’extrême. De telles sensibilités permettraient d’atteindre une meilleure résolution sur la mesure du gradient de gravité que les précédentes missions satellitaires du champ de pesanteur telle que la mission GOCE, qui utilisait elle aussi des gradiomètres, mais électrostatiques, et ce dans toutes les bandes spectrales, et plus particulièrement pour des fréquences de Fourier inférieures à la dizaine de mHz.

Développement d’un gradiomètre de laboratoire

Le gradiomètre en cours de développement au SYRTE combinera 1) des sources atomiques ultra froides obtenues à partir de pièges magnétiques sur puces et 2) l’utilisation de séparatrices multi photoniques. Ces deux éléments clefs seront combinés pour réaliser des interféromètres basés sur des séparatrices multi photoniques de plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de ħk en configuration de fontaine. Pour une durée d’interféromètre de 2T = 500 ms, une séparation de 100 ħk, un temps de cycle de 2 s et un nombre d’atomes de 10⁵ par source, la sensibilité accélérométrique différentielle sera de 1,3.10^-11g en 1 s de mesure pour une détection limitée par le bruit de projection quantique. Pour une distance entre les deux sources d’un mètre, la sensibilité correspondante sur la mesure du gradient de gravité est de 126 mE en 1 s de mesure dans le laboratoire.

Extraction de la phase différentielle

Nous avons récemment démontré une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle [M. Langlois et al., Phys. Rev. A 96, 053624 (2017)], basée sur l’exploitation des corrélations entre les phases de deux interféromètres et une estimation de la phase sismique, déterminée à l’aide de mesures simultanées réalisées par un sismomètre. Cette méthode, que nous avions proposée il y a quelques années [F. Pereira Dos Santos, Phys. Rev. A 91, 063615 (2015)], permet de rejeter le bruit de vibration avec une efficacité limitée par le bruit de détection et fournit une mesure de phase différentielle non biaisée, contrairement aux autres méthodes utilisées jusqu’à présent.

Sensibilité de la mesure en fonction de la phase différentielle

Mesures absolues simultanées de g et de son gradient vertical

Nous avons récemment mis en place une technique de mesure astucieuse permettant de mesurer en même temps g et la composante verticale du gradient de g. Deux sources atomiques sont générées à deux hauteurs différentes puis durant la chute libre des deux sources, deux interféromètres sont réalisés simultanément avec un faisceau Raman commun. En appliquant une rampe de fréquence et un saut de fréquence sur ce faisceau, on réalise un double intégrateur qui force la rampe à compenser g et force le saut de fréquence à compenser le gradient vertical de gravité. On détermine ainsi ces deux grandeurs en terme de fréquences. De plus, cette technique nous permet de ne pas dépendre de la « ligne de base », difficile à déterminer de façon très précise, qui est la distance entre les deux sources atomiques. La figure suivante représente l’évolution de g et du gradient avec ce double intégrateur. La réjection du bruit de vibration en mode commun se voit clairement sur la mesure du gradient.

Résultat du double intégrateur.

Haut : Fluctuation de la mesure de g. Bas : Fluctuation de la mesure du gradient de g

Cette méthode de mesure est utilisée dans le prototype de gradiomètre industriel réalisé par iXblue, au développement duquel nous contribuons dans le cadre de projets collaboratifs financés par la DGA puis par l’ANR.

Interféromètre de Bragg

Nous avons implémenté des séparatrices lumineuses basées sur des transitions de Bragg et réalisé un interféromètre dual, avec des atomes lancés en l’air, avec une durée maximale de 500 ms. Nous avons pour cela mis en oeuvre une nouvelle méthode de séparation des ports de sortie de l’interféromètre, basée sur l’accélération sélective d’un des ports de sortie à l’aide d’un réseau accéléré. Une sensibilité préliminaire d’environ 200 E à 1s a été démontrée.

Temps de vol

a) sans impulsion de Bragg, ni séparateur b) avec un pulse de Bragg, mais pas de séparateur c) avec un pulse de Bragg et le séparateur

Etat d’avancement du projet

Nous avons installé dans la zone de piégeage supérieure une puce atomique de première génération qui sera utilisée pour produire des atomes ultrafroids. Une enceinte de test indépendante a par ailleurs été développée pour tester des puces de deuxième génération. Les prochaines échéances concernent la validation de ces sous-systèmes clé et la mise en place des séparatrices multiphotoniques.

Photographie de la puce installée sur son support

Publications

 Raphaël Piccon, Sumit Sarkar, Sébastien Merlet, Franck Pereira dos Santos
"Separating the output ports of a Bragg interferometer via velocity selective transport"

Phys. Rev. A 106, 013303 (2022)

 Sumit Sarkar, Raphael Piccon, Sebastien Merlet, and Franck Pereira dos Santos
"A simple and robust architecture of laser system for atom interferometry"
Optics Express Vol. 30, Issue 3, pp. 3358-3366 (2022)

 Camille Janvier, Vincent Ménoret, Sébastien Merlet, Arnaud Landragin, Franck Pereira Dos Santos, Bruno Desruelle
"A compact differential gravimeter at the quantum projection noise limit"
Phys. Rev. A 105, 022801 (2022).

Copyright 2022 by the American Physical Society

 T. Lévèque, C. Fallet, M. Mandea, R. Biancale, J. M. Lemoine, S. Tardivel, S. Delavault, A. Piquereau, S. Bourgogne, F. Pereira Dos Santos, B. Battelier, Ph. Bouyer
"Gravity Field Mapping Using Laser-Coupled Quantum Accelerometers in Space"
Journal of Geodesy 95, 15 (2021)

 R. Caldani, S. Merlet, F. Pereira dos Santos, G. Stern, A.-S. Martin, B. Desruelle, V. Ménoret
"A prototype industrial laser system for cold atom inertial sensing in space"
Eur. Phys. J. D 73, 248 (2019)

 A. Trimeche, B. Battelier, D. Becker, A. Bertoldi, P. Bouyer, C. Braxmaier, E. Charron, R. Corgier, M. Cornelius, K. Douch, N. Gaaloul, S. Herrmann, J. Müller, E. Rasel, C. Schubert, H. Wu, F. Pereira dos Santos
"Concept study and preliminary design of a cold atom interferometer for space gravity gradiometry"
Classical and Quantum Gravity 36, 215004 (2019)

 T. Lévèque, C. Fallet, M. Mandea, R. Biancale, J. M. Lemoine, S. Tardivel, M. Delpech, G. Ramillien, I. Panet, S. Bourgogne, F. Pereira Dos Santos, Ph. Bouyer
"Correlated atom accelerometers for mapping the Earth gravity field from Space
Proceedings Volume 11180, International Conference on Space Optics-ICSO 2018, 111800W (2019)

 R. Caldani, K. Weng, S. Merlet, Franck Pereira dos Santos
“Simultaneous accurate determination of both gravity and its vertical gradient”
Phys. Rev. A 99, 033601 (2019)

 K. Douch, H. Wu, C. Schubert, J. Müller, F. Pereira dos Santos
"Simulation-based evaluation of a cold atom interferometry gradiometer concept for gravity field recovery"
Advances in Space Research 61, 1307-1323 (2018)

 M. Langlois, R. Caldani, A. Trimeche, S. Merlet, and F. Pereira Dos Santos
“Differential phase extraction in dual interferometers exploiting the correlation between classical and quantum sensors”
Phys. Rev. A 96, 053624 (2017)
Copyright 2017 by the American Physical Society

 F. Pereira Dos Santos
“Differential phase extraction in an atom gradiometer”
Phys. Rev. A 91, 063615 (2015)
Copyright 2015 by the American Physical Society

 A. Landragin, and F. Pereira Dos Santos
"Accelerometer using atomic waves for space applications"
In Atom Optics and Space Physics, Proceedings of the Enrico Fermi International School of Physics “Enrico Fermi,” Course CLXVIII, Varenna, 2007, edited by E. Arimondo, W. Ertmer, E. M. Rasel, and W. P. Schleich (IOS press) p337-350, arXiv:0808.3837v1 (2009)

 P. Bouyer, F. Pereira Dos Santos, A. Landragin et Ch. J. Bordé
"Atom Interferometric Inertial Sensors for Space Applications"
In "Lasers, Clocks, and Drag Free : Exploration of Relativistic Gravity in Space", ed. by H. Dittus, C. Lämmerrzahl and S. Turyshev, Springer 2007, 297. (2007)