Gyromètre atomique de très grande aire

Cette nouvelle expérience de gyromètre est fondée sur une configuration en fontaine avec 4 impulsions pour manipuler les paquets d’onde atomique et permet de réaliser un interféromètre de très grande aire. Elle repose sur l’utilisation d’une seule source d’atomes froids, lancés suivant la direction verticale et dont la trajectoire est recourbée sous l’effet de la gravité.

Photo du nouveau dispositif expérimental utilisant une configuration en fontaine à 4 impulsions permettant de mesurer les rotations selon l’axe horizontal.

Les paquets d’onde atomique subissent alors une séquence de quatre impulsions Raman pour former un interféromètre croisé sur lui-même, de façon à ce que les sensibilités à l’effet Sagnac des deux boucles s’ajoutent. Il est alors possible de mesurer la rotation selon l’axe horizontal de l’appareil avec une seule source atomique sans être sensible à l’accélération continue. Cette configuration permet d’utiliser un temps de mesure plus long et ainsi d’augmenter l’aire de l’interféromètre de plus de deux ordres de grandeur pour atteindre une surface totale de 11 cm². Des développements expérimentaux spécifiques ont été menés pour bénéficier au mieux de cette très grande aire, et notamment le développement de faisceaux à profil plat en intensité, Appl. Phys. Lett. 113, 161108 (2018), ou le développement de procédures spécifiques d’alignement des faisceaux lasers Raman manipulant les paquets d’ondes atomiques, Phys. Rev. A 101, 033606 (2020).

Gyromètre atomique de très grande sensibilité

Ce nouvel appareil nous permet de tester les limites intrinsèques de ce type d’interféromètre. Les études permettent de caractériser les points essentiels à la conception d’un gyromètre atomique de grande sensibilité, ce qui est nécessaire pour les diverses applications et notamment en navigation inertielle de très haute précision. En particulier, nous avons démontré pour la première fois l’intérêt d’une mesure en continue avec un interféromètre à atomes froids, et qui ont déjà permis d’atteindre des stabilités long terme record pour des interféromètre à atomes froids au niveau de 1 nrad.s^-1, Phys. Rev. Lett. 116, 183003 (2016). Nous avons par la suite pu améliorer le fonctionnement du gyromètre en développant des mesures entrelacées permettant de moyenner efficacement le bruit de rotation et d’effectuer des mesures de rotation dynamiques dans une gamme jusqu’ici inexplorée. Nous démontrons ainsi une stabilité de 0,3 nrad.s^-1, qui rivalise avec les meilleurs niveaux de stabilité obtenus avec des gyroscopes à fibre optique, et valide l’entrelacement comme un concept clé pour les futurs capteurs d’interférométrie atomique sondant des signaux variant dans le temps, Science Advances, Vol. 4, no. 12, eaau7948 (2018).

Principe de fonctionnement en continue du gyromètre à atomes froids. Les mesures en continue sont réalisées à l’aide d’interrogations jointes, pour lesquelles la séparatrice atomique est partagée entre le nuage d’atome entrant dans l’interféromètre avec celui qui en sort.

Adaptation des interféromètres atomiques à boucles multiples avec transfert de momentum réglable

Nous avons démontré une nouvelle méthode de transfert d’impulsion ajustable dans les interféromètres atomiques multi-boucles, permettant une suppression des interférométres parasites provenant de l’efficacité finie des miroirs atomiques. En modifiant le vecteur d’onde de séparatrices Raman pendant l’interrogation, la méthode nous a permis de démontrer un gyroscope « pur » à double boucle avec une sensibilité fortement supprimée à l’accélération linéaire constante, ce qui présente un intérêt particulier pour les applications où les fluctuations de la vitesse de rotation du sol doivent être distinguées des translations linéaires, comme par exemple dans le domaine de la sismologie rotationnelle, Phys. Rev. Lett. 125, 213201 (2020).

Mesure exacte de l’effet Sagnac avec des ondes de matière avec un gyromètre deux axes

L’importance fondamentale de l’effet Sagnac a motivé la réalisation d’expériences pour tester sa validité pour les ondes au-delà de l’optique. Nous avons réalisé un test précis de l’effet Sagnac pour les ondes de matière, en utilisant un interféromètre à atomes présentant deux axes sensibles. Nous mesurons le déphasage induit par la rotation de la Terre et trouvons un accord avec la prédiction théorique à un niveau de précision de 25 parties par million, Science Advances, Vol. 8, no. 23, eabn8009 (2022).

Déphasage Sagnac pour les deux axes de mesure du gyromètre à atome froids

Par ailleurs, les performances de ce type d’instrument permettront de mesurer des paramètres fondamentaux en géophysique encore inaccessibles à l’expérience, comme les fluctuations de la direction de l’axe de rotation de la terre sur des échelles de temps relativement courtes (quelques heures).

Publications

Romain Gautier, Mohamed Guessoum, Leonid A. Sidorenkov, Quentin Bouton, Arnaud Landragin, Remi Geiger
“ Accurate measurement of the Sagnac effect for matter waves ”
Science Advances, Vol. 8, no. 23, eabn8009 (2022)

 L. A. Sidorenkov, R. Gautier, M. Altorio, R. Geiger, A. Landragin
"Tailoring multi-loop atom interferometers with adjustable momentum transfer"
Phys. Rev. Lett. 125, 213201 (2020)

Copyright 2020 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.

Supplemental Material

 R. Geiger, A. Landragin, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
"High-accuracy inertial measurements with cold-atom sensors"
AVS Quantum Sci. 2, 024702 (2020).

 M. Altorio, L. A. Sidorenkov, R. Gautier, D. Savoie, A. Landragin and R. Geiger
"Accurate trajectory alignment in cold-atom interferometers with separated laser beams "
Phys. Rev. A 101, 033606 (2020).

Copyright 2020 by the American Physical Society

 D. Savoie, M. Altorio, B. Fang, L. A. Sidorenkov, R. Geiger, A. Landragin
“ Interleaved Atom Interferometry for High Sensitivity Inertial Measurements ”
Science Advances, Vol. 4, no. 12, eaau7948 (2018)

 N. Mielec, M. Altorio, R. Sapam, D. Horville, D. Holleville, L.A. Sidorenkov, A. Landragin, R. Geiger
“Atom Interferometry with Top-Hat Laser Beams ”
Appl. Phys. Lett. 113, 161108 (2018), arXiv:1808.03355

Copyright 2018 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.

 B. Fang, N. Mielec, D. Savoie, M. Altorio, A. Landragin and R. Geiger
"Improving the phase response of an atom interferometer by means of temporal pulse shaping"
New J. Phys. 20, 023020 (2018)

 I. Dutta, D. Savoie, B. Fang, B. Venon, C. L. Garrido Alzar, R. Geiger, and A. Landragin
“Continuous Cold-Atom Inertial Sensor with 1 nrad/sec Rotation Stability”
Phys. Rev. Lett. 116, 183003 (2016)

Copyright 2016 by the American Physical Society

 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.

 M. Meunier, I. Dutta, R. Geiger, C. Guerlin, C. L. Garrido Alzar, and A. Landragin
"Stability enhancement by joint phase measurements in a single cold atomic fountain"
Phys. Rev. A 90, 063633 (2014)

Copyright 2014 by the American Physical Society