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 actuellement 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 limité 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

Etat d’avancement du projet

L’enceinte à vide est aujourd’hui complètement assemblée. Nous avons installé dans l’enceinte du haut une puce atomique de première génération qui sera utilisée pour produire des atomes ultrafroids. Les prochaines échéances concernent la validation de ce sous-système clé et la mise en place des séparatrices multiphotoniques.

Photographie de la puce installée sur son support