Principe de fonctionnement




Le gravimètre absolu repose sur des techniques d’interférométrie atomique avec des atomes froids. Dans un premier temps, quelques 10⁸ 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 du gravimètre atomique Un PMO-3D est chargé à partir d’un PMO-2D. A l’extinction du PMO-3D, les atomes chutent, l’interféromètre est alors réalisé à l’aide des faisceaux Raman verticaux. En sortie d’interféromètre les populations dans les deux états atomiques sont mesurées par la détection symétrique. L’enceinte à vide est entourée de blindages magnétique, l’ensemble repose sur une plateforme d’isolation passive.

Photographie du dispositif avec ses blindages semi ouverts A droite, on trouve le PMO-2D, 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).

Mobilité




Depuis la fin de sa réalisation, la mobilité du gravimètre nous a permis de participer aux deux comparaisons clef organisées sous l’égide du CIPM : au BIPM, à Sèvres, en 2009 puis au Luxembourg en 2013. Ces comparaisons ont conforté l’exactitude annoncée du gravimètre. Entre ces évènements internationaux, nous avons participé à trois autres comparaisons dont une comparaison européenne au Luxembourg et deux dans notre laboratoire au LNE Trappes et nous avons également effectué les premières mesures d’interféromètre atomique au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit à Rustrel, dans le cadre de l’Equipex MIGA. Nous y avons obtenu une sensibilité de 10^-8 g en une seconde de mesure sans plateforme d’isolation.

Gravimètre atomique complet lors d’un déplacement

Au premier plan, le gravimètre dans ses blindages ; au second plan, le banc optique et l’électronique de contrôle. Les dimensions sont indiquées en cm.

Mesures longues en continu




La figure suivante présente les fluctuations du signal mesurées par le gravimètre durant un mois de mesures en continu, en 2015. Cette possibilité de mesurer les variations de gravité de manière absolue en continu est un point fort du dispositif et est particulièrement utile pour les sessions de mesure de la balance du watt.

Mesure continue de la variation de l’accélération de la pesanteur

Haut : Fluctuations de la mesure de g enregistrées par le gravimètre durant un mois en 2015. Bas : Le résidu, différence du signal du CAG et du signal du gravimètre supraconducteur iGrav est représenté en gris.

Sensibilité de mesure




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 5,7 × 10^-9 g sur une seconde, soit près d’un ordre de grandeur de mieux que ne les permettent les gravimètres absolus classiques et ce en dépit d’une distance de chute des atomes relativement faible (inférieure à 20 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. Un exemple de sensibilité long terme correspondant à la mesure d’un mois précédente est représenté en gris sur la seconde figure. La sensibilité « plafonne » entre 2 × 10^-10 g et 4 × 10^-10 g peu après 3000 s de mesure. L’analyse sur deux jours représentés en noir sur la mesure longue, montre que l’écart type d’Allan descend jusque 6 × 10^-11 g

Sensibilité de mesure de gravimètres absolus Ecart type d’Allan obtenus avec le gravimètre à coin de cube FG5X-216 de l’Université du Luxembourg (en bleu) et avec le gravimètre atomique du LNE-SYRTE (en rouge), en préambule à la comparaison internationale de gravimètres absolus de 2013 au Luxembourg (ICAG-2013).

Sensibilités de mesure long terme du CAG Ecart type d’Allan obtenus à partir de la différence entre les signaux du gravimètre atomique du LNE-SYRTE sur la totalité de la mesure longue de un mois (en gris) et durant la zone de deux jours repérée en noir.

Amélioration de l’exactitude, études actuelles




L’exactitude du CAG est limitée par les défauts de fronts d’ondes des lasers réalisant les séparatrices atomiques. Pour étudier cet effet, nous avons mis en place une source atomique plus froide obtenue par évaporation pour limiter l’expansion balistique du nuage.

Piège dipolaire en préparation Il est réalisé sur deux plaques (noir) qui se positionnent autour des blindages du gravimètre (espace en gris).

Atomes dans le piège croisé. Imagerie des atomes refroidis dans le piège dipolaire.

Cette source nous a permis de réaliser des mesures de g différentielles pour des températures allant de 10 µK jusque 50 nK. Les résultats sont représentés sur la figure suivante. Une modélisation complète du CAG nous a permis de calculer l’impact des aberrations du front d’onde décomposées sur une base de polynômes de Zernike. L’effet de chaque polynôme a été calculé de 0 K à 10 µK et les résultats de mesures ont été ajustés par moindres carrés dans la base. Nous reconstruisons ainsi le front d’onde Raman et extrapolons la valeur de g à 0 K. Cette étude nous a permis d’améliorer d’un facteur 3 l’incertitude associée au biais des aberrations optiques. L’exactitude totale de l’instrument est depuis de 2 × 10^-9g.

Gravité pour différentes températures de sources atomiques Mesures de gravité en fonction de la température de la source atomique. Les points bleus sont des mesures relatives par rapport à la mesure obtenue à 1,8 µK (obtenue avec une source classique). La ligne rouge est le résultat de l’ajustement avec 5 polynômes de Zernike encadrée de la zone 1sigma grisée.

Cette étude récemment publiée (R. Karcher et al New J. Phys 20 (2018) 113041) montre l’intérêt d’utiliser des atomes ultra froids dans les interféromètres atomique en chute libre. En refroidissant plus encore la source, nous comptons améliorer notre budget d’incertitude.

Publications

 R. Karcher, F. Pereira dos Santos, S. Merlet
"Impact of direct-digital-synthesizer finite resolution on atom gravimeters"
Phys. Rev. A 101, 043622 (2020)

Copyright 2020 by the American Physical Society

 R. Karcher, A. Imanaliev, S. Merlet, F. Pereira dos Santos
“Improving the accuracy of atom interferometers with ultracold sources”
New J. Phys. 20, 113041 (2018)

 A. Trimeche, M. Langlois, S. Merlet, and F. Pereira Dos Santos
“Active Control of Laser Wavefronts in Atom Interferometers”
Phys. Rev. Applied 7, 034016 (2017)

Copyright 2017 by the American Physical Society

 B. Cheng, P. Gillot, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Coherent population trapping in a Raman atom interferometer”
Phys. Rev. A 93, 063621 (2016)

Copyright 2016 by the American Physical Society

 P. Gillot, B. Cheng, A. Imanaliev, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“The LNE-SYRTE cold atom gravimeter”
Proceedings of the 30th EFTF, York, United Kingdom, 4th-7th April 2016

 B. Fang, I. Dutta, P. Gillot, D. Savoie, J. Lautier, B. Cheng, C. L Garrido Alzar, R. Geiger, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos, A. Landragin
“Metrology with Atom Interferometry : Inertial Sensors from Laboratory to Field Applications”
Proceedings of the 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, Postdam (Germany), 12-16 Oct. 2015,
Journal of Physics : Conference Series 723 (2016) 012049.

 P. Gillot, B. Cheng, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Limits to the symmetry of a Mach-Zehnder-type atom interferometer”
Phys. Rev. A 93, 013609 (2016)

Copyright 2016 by the American Physical Society

 B. Cheng, P. Gillot, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Influence of chirping the Raman lasers in an atom gravimeter : Phase shifts due to the Raman light shift and to the finite speed of light”
Phys. Rev. A 92, 063617 (2015)

Copyright 2015 by the American Physical Society

 S. Merlet, P. Gillot, T. Farah, Q. Bodart, J. Le Gouët, P. Cheinet, C. Guerlin, A. Louchet-Chauvet, N. Malossi, A. Kopaev, O. Francis, G. d’Agostino, M. Diament, G. Genevès, A. Clairon, A. Landragin et F. Pereira dos Santos
"Détermination de l’accélération de la pesanteur pour la balance du watt du LNE"
Revue Française de Métrologie 36, 11-27 (2014)

 J. Lautier, L. Volodimer, T. Hardin, S. Merlet, M. Lours, F. Pereira Dos Santos, and A. Landragin
"Hybridizing matter-wave and classical accelerometers"
Appl. Phys. Lett. 105, 144102 (2014)

Copyright 2014 American Institute of Physics. This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and the American Institute of Physics.

 S. Merlet, L. Volodimer, M. Lours, F. Pereira Dos Santos
"A simple laser system for atom interferometry"
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 T. Farah, P. Gillot, B. Cheng, A. Landragin, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
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Copyright 2014 by the American Physical Society

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"The European Comparison of Absolute Gravimeters 2011 (ECAG-2011) in Walferdange, Luxembourg : results and recommendations"
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 S. Merlet, Q. Bodart, N. Malossi, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, O. Gitlein, L. Timmen
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Copyright 2010 by the American Physical Society)

 J. Le Gouët, J. Kim, C. Bourassin-Bouchet, M. Lours, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
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 S. Merlet, J. Le Gouët, Q. Bodart, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, P. Rouchon
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Metrologia 46, 87–94,arXiv:0806.0164 (2009))

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 J. Le Gouët, T. E. Mehlstäubler, J. Kim, S. Merlet, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
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 P. Cheinet, B. Canuel, F. Pereira Dos Santos, A. Gauguet, F. Leduc, A. Landragin
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IEEE Trans. on Instrum. Meas. 57, 1141, (2008)

©2008 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.

 F. Pereira Dos Santos, J. Le Goüet, T. E. Mehlstäubler, S. Merlet, D. Holleville, A. Clairon, A. Landragin
"Gravimètre à atomes froids "
Revue Française de Métrologie n°13, Vol 2008-1, 33-40, (2008)

 J. Le Gouët, P. Cheinet, J. Kim, D. Holleville, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
"Influence of lasers propagation delay on the sensitivity of atom interferometers"
Eur. Phys. J. D. 44, 419-425, (2007) arXiv:0701023

 P. Cheinet, F. Pereira Dos Santos , T. Petelski, J. Le Göuet, J. Kim, K.T. Therkildsen, A. Clairon and A. Landragin
"Compact laser system for atom interferometry"
Appl. Phys. B 84, 643, (2006) arXiv:0510261