Gyromètre sur puce à atomes

Garrido Carlos — 2015-04-03T18:45:58Z

Détection micro-onde nondestructive d'un dynamique quantique cohérente des atomes froids

Dans cette étude, publiée le 24/02/2021 dans la revue Communications Physics, Commun. Phys. 4, 35 (2021), nous démontrons une nouvelle technologie de détection d'atomes froids. En mesurant la puissance réfléchie d'un signal micro-onde envoyé vers les atomes à l'aide d'un cornet, nous avons d'abord déterminé la présence d'un nuage d'atomes froids de rubidium 87 en mesurant le spectre atomique (réponse du milieu) autour de la transition hyperfine d'horloge. Ensuite, en utilisant deux antennes, un cornet et un monopole, nous avons observé des oscillations de Rabi en mode stroboscopique. Dans cette configuration, le signal réfléchi au niveau du cornet était utilisé pour détecter les oscillations de Rabi, et donc l'état du spin collectif des atomes, tandis que l'antenne monopole était employée pour piloter la dynamique du spin. Avec cette mesure, nous avons montré la nature non-destructive de cette méthode, ainsi qu'une bande passante de détection (autour de 30 kHz) largement supérieure à celle typiquement possible dans les expériences d'atome froids.


Spectre du coefficient de réflexion micro-onde en absence (en violet) et en présence du nuage d'atomes froids.

Gyromètres compacts à atomes froids sur puce pour la navigation inertielle : Technologies habilitantes et étude conceptuelle

Une possible motivation pour le développement de gyromètres compacts à atomes froids sur puce est la recherche en géophysique et la réalisation de tests de Relativité Générale dans l'espace, tel que l'observation de l'effet géodétique prédit par Leonard Schiff en 1960. Ainsi, dans l'article AVS Quantum Sci. 1, 014702 (2019), publié dans le journal AVS Quantum Science, nous avons donné une réponse préliminaire à la question : est-il possible de concevoir un gyromètre compact à atomes froids guidés sur microcircuit pour mesurer de façon fiable l'effet géodétique en utilisant un satellite sur une orbite terrestre basse de 642 km d'altitude ?


Diagramme v − 2T (vitesse de lancement-temps d'interrogation) montrant la frontière de 5% de précision dans la mesure de l'effet géodétique avec un gyromètre à atomes froids sur puce, pour un temps d'intégration fixe de 4 mois.

Dynamique de pompage d'une enceinte à vide dans une expérience d'atomes froids

Ce travail concerne l'étude de différents processus physiques conduisant à la dynamique de la pression dans un système d'ultravide (UHV). Le système considéré a été conçu pour une expérience d'atomes froids qui utilise une puce à atomes comme plateforme pour un capteur inertiel quantique compact. Pour répondre à l'exigence de compacité d'un capteur pratique à base d'atomes froids, le système est composé d'une seule chambre à vide contenant la source d'atomes (⁸⁷Rb dans notre cas) et une pompre ionique. Par conséquent, la pression dans la chambre doit varier de ∼10^-8 mbar (phase de chargement du piège magneto-optique) à ∼10^-11 mbar (phase d'opération du capteur). Les résultats obtenus ont été publiés dans l'article Phys. Rev. Appl. 12, 014033 (2019).

Analyse de la stabilité de guidage d'un guide magnétique avec un champ de biais auto-généré

Dans ce travail, nous démontrons qu'un guide magnétique stable peut être réalisé dans une puce à atomes sans appliquer de champ externe de biais. Un tel guide magnétique peut être réalisé en utilisant trois microfils parallèles, alimentés par des courants modulés ayant une différence de phase bien définie entre eux. Pour démontrer la stabilité du guidage, nous avons trouvé une solution périodique stable qui nous permet de linéariser la dynamique non linéaire du mouvement de l'atome et du moment magnétique de celui-ci. Comme détaillé dans notre article publié, Phys. Rev. A 97, 033405 (2018), la nature périodique de la dynamique du système nous indique qu'ici nous sommes concernés par une stabilité orbitale. Pour contourner la difficulté de trouver une expression analytique pour les valeurs propres de la matrice de monodromie de la dynamique du système, nous avons introduit une transformation de Lyapunov des variables du système, à partir de laquelle nous avons dérivé une équation d'état pour les paramètres systémiques du guide modulé.

Noyau physique assemblé

Fabrication de puces à atomes

Nous fabriquons nos puces ou microcircuits à atomes dans notre salle blanche à l'Observatoire de Paris.

Après la définition du motif de fils pour le piégeage et refroidissement, et les fonctions d'interférométrie, nous utilisons la déposition de métal par évaporation pour réaliser les microfils.

Par le biais d'un traitement des image obtenues au microscope électronique, nous pouvons déterminer la rugosité de microfils fabriqués. De plus, nous pouvons également calculer, à l'aide du profil de l'échantillon, la variation du champ magnétique généré par les défauts de la paroi des fils en fonction de la distance à la puce. Dans le cas d'une longue variation spatiale, c'est-à-dire un vecteur d'onde spatiale k petit, les fluctuations sont trop petites pour être observé ce qui diminue les effets du champ magnétique rugueux. De la même manière, dans le cas de courtes variations spatiales, c'est-à-dire un vecteur d'onde grand, les effets du champ se compensent.

Prototypage de l'expérience

L'expérience en elle même et la puce à atomes seront conçues de sorte à tenir compte de contraintes de mobilité et consommation de puissance typiques des applications embarquées utilisées dans la navigation inertielle et dans des études géophysiques in situ. En particulier, nous pouvons envisager la réalisation d'un capteur inertiel capable de mesurer simultanément des rotations/accélérations selon les trois axes d'inertie.


Simulation du guide magnétique de l'interféromètre


Schéma du montage expérimental

Lors du fonctionnement du capteur, un nuage d'atomes ultra-froids de ⁸⁷Rb sera séparé en deux de façon cohérente et ensuite les nuages ainsi obtenus seront obligés de se propager le long d'une trajectoire circulaire définie par un guide magnétique de quelques millimètres de rayon. A la sortie du guide, un signal d'interférence atomique sensible aux rotations via l'effet Sagnac sera mesuré. De par sa conception, cette expérience nous permettra d'explorer l'ingénierie d'états quantiques atomiques (mesures quantiques non destructives). Nous espérons qu'un tel procédé permettra, d'une part, la réalisation d'un capteur inertiel à mesures répétées sur le même nuage d'atomes guidés (fonctionnement analogue à celui des interférométres optiques fibrés) et, d'autre part, la réalisation de tâches de Métrologie Quantique.

Syrte