atomes froids et mesures de précision -...
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• L’interférométrie : optique / atomique• Les horloges atomiques• Capteurs inertiels : la gravimétrie• Quelques applications
Atomes froids et mesures de précision
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• L’interférométrie : optique / atomique• Les horloges atomiques• Capteurs inertiels : la gravimétrie• Quelques applications
Atomes froids et mesures de précision
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SOURCE
LUMINEUSE
Sortie 1
Sortie 2
L’interférométrie optique
déphasage
Intensité
Suivant la configuration d’interféromètre, le dépha sage dépend :
� d’une vitesse de rotation
� d’une différence de longueur
VIRGO
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L’interférométrie atomique
déphasage
Probabilitéde transition
Suivant la configuration d’interféromètre, le déphasage dépend :� d’une fréquence� d’une vitesse de rotation� d’une accélération (pesanteur)
Horloge
Gyromètre
Gravimètre
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L’interférométrie atomique et les atomes froids
T
� Le déphasage est d’autant plus grand que la durée d’interaction T est importante
�Amélioration de la « précision » des instruments avec des atomes froids !!!
�Contrôle de la dynamique des atomes, contrôle des effets systématiques, possibilité de piégeage.
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• L’interférométrie : optique / atomique• Les horloges atomiques• Capteurs inertiels : la gravimétrie• Quelques applications
Atomes froids et mesures de précision
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Principe de fonctionnement d’une horloge atomique
Oscillateur
(à quartz, laser, …)
Fréquence f :
Instable
Inexacte
ν
νν0
E2
E1
h ν0 = E2 –E1
REFERENCE ATOMIQUE
f0 f
ASSERVISSEMENT
correctionFréquence f :
Stable
Exacte
� De très nombreux types d’horloges atomiques, du m 3 au cm 3 ……
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La stabilité de fréquence
ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
Fréquence délivrée par
l’horloge
Fréquence de résonance
idéale
Inexactitude
(biais de fréquence)
Instabilité
(bruit de fréquence)
� (in)stabilité :
Amplitude des fluctuations y(t) (stabilité de fréquence)
Estimée par un écart-type σy (sans dimension)
� (in)exactitude :
Incertitude sur la valeur de ε
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Bruits et effets systématiques
ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
� Sensibilité à un champ magnétique DC :� choix d’une transition particulière insensible (au 1er ordre) � utilisation de blindages magnétiques (en mumétal) + contrôle actif du champ
� Sensibilité à un champ électrique DC :� choix des matériaux (conducteurs)
� Sensibilité à un champ électromagnétique AC ( EMC ; rayonnement du corps noir ; déplacement lumineux = light shift ) :� enceinte régulée en température� pas de lumière pendant l’interaction (quand c’est possible !)
La fréquence dépend de l’environnement électromagnétique :
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ν = ν0 [1 + ε + y(t)]
� Effet Doppler du 1er ordre :
� Utiliser une onde stationnaire : cavité (mais jamais parfaitement stationnaire)� Se placer en régime « Lamb-Dicke » où déplacement << λ pendant l’interaction
• gaz tampon (mais attention aux collisions)• piégeage dans champs électromagnétiques : DC; RF, optique (mais attention aux déplacements de fréquence)
� Effet Doppler du 2nd ordre :
� Vitesses réduites (refroidissement laser)
La fréquence dépend du mouvement des atomes :
cv=∆υ
2
2
2cv=∆υ
Bruits et effets systématiques
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1µs/j
1ms/j
1ns/j
1s/j
horlhorl . optiques. optiques
Précision de la mesure du temps
1ps/j
fontaines actuellesfontaines actuelles
Gain : 1 facteur 10 tous les 10 ans
1600 1700 1800 1900 2000
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… et après les fontaines à atomes froids
L’espace :
� PHARAO : horloge à atomes froids sur ISS en 2013
� HORACE : horloge à atomes froids pour GALILEO
Les horloges optiques :
� une fréquence 10 000 fois plus grande que pour les horloges micro-ondes !!!
Horloges sur puces atomiques :
� Atomes piégés
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• L’interférométrie : optique / atomique• Les horloges atomiques• Capteurs inertiels : la gravimétrie• Quelques applications
Atomes froids et mesures de précision
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Gravimètres absolus : 1) gravimètre optique
Exactitude : 2·10-9 g (FG5)
Miroir de référenceLaser
t
I
Coin de cube
Principe : interferomètre de Michelson avec un coin de cube en chute libre
Différence de marche :
212
z tD = - g
( )2( ) cosI t g tpl
µ
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Principe : interféromètre à ondes de matière
Nuage d'atomes en chute libre
Mesure du déplacement le long d'une onde lumineuse stationnaire ("règle"
verticale)
Gravimètres absolus : 2) gravimètre atomique
Miroir
0=z
2
21
)( gTTz =
22)2( gTTz =
Laser 2
Laser 1
Pulse 1
Pulse 2
Pulse 3
tz
β |p+ ħ keff ⟩α |p⟩
π/2
|p⟩
|p+ ħ keff ⟩A
BC
D
0 T 2T
|p⟩
π π/2
I
II
tz
β |p+ ħ keff ⟩α |p⟩
π/2
|p⟩
|p+ ħ keff ⟩A
BC
D
0 T 2T
|p⟩
π π/2
I
II
2int Teffk g∆Φ = − + Φ + Φ
r ur
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Mirror
0=z
2
2
1)( gTTz =
22)2( gTTz =
Laser 2
Laser 1
Pulse 1
Pulse 2
Pulse 3
Mirror
0=z
2
2
1)( gTTz =
22)2( gTTz =
Laser 2
Laser 1
Pulse 1
Pulse 2
Pulse 3
2D-MOT
3D-MOT107 atoms in 50 msTatoms~2 µK
L2 : repumper / Raman 1L3 : cooling / Raman 2
retro-reflectionmirror
87Rb
λ/4
σ+
σ-
σ-
σ+
λ/4
isolationplatform
seismometer
Detection
2D-MOT
3D-MOT107 atoms in 50 msTatoms~2 µK
L2 : repumper / Raman 1L3 : cooling / Raman 2
retro-reflectionmirror
87Rb
λ/4
σ+
σ-
σ-
σ+
λ/4
isolationplatform
seismometer
Detection
Dispositif
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Quelques résultats
Séisme, Chine le 20 mars 2008 (7.7)
1000 1100 1200 1300 1400 1500-60
-40
-20
0
20
40
60
Acc
eler
atio
n (µ
m/s
2 )
Time (s)55302 55303 55304 55305
-100
-50
0
50
100
δg (
µG
al)
MJDExcellent accord mesures-modèle de maréeMarées luni-solaires : ± 100 µGal (1 µGal = 10-8 m.s-2, ou ~10-9 g)
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Atomes froids et mesures de précision
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Mesures de haute précision avec des atomes froids - Applications
Métrologie fondamentale :
Echelles de temps atomique, temps légalRedéfinition des unités (s, kg)Constantes fondamentales ( α, G)
Positionnement / Navigation :
- GPS, GALILEO � 1 ns = 30 cm- Navigation inertielle
Tests de physique fondamentale :
Tests de la relativité générale :- les constantes fondamentales sont-elles constantes ?- les corps (atomes) tombent-ils tous de la même faç on ?- la loi de la gravitation est-elle vraie à toutes le s échelles ?
Géophysique :
Rotation terrestre, potentiel/champ de pesanteurRecherche pétrolière
0.0
0.5
1.0
Time (UTC)07:12 07:42
g
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Interférométrie atomique & Mesures de précisions - P erspectives
Missions spatiales :
- ACES/PHARAO, GALILEO
- Tests de la gravitation dans le système solaire
- Tests de relativité : principe d’équivalence, effet Lense-Thirring, ..
Evolutions instrumentales :
- Utilisation d’ondes atomiques cohérentes
- Miniaturisation des dispositifs pour utilisation d ans systèmes embarqués
Projets sol :
- Amélioration du compromis Performance / Encombreme nt
- Métrologie fondamentale (redéfinition des unités)
- Tests de physique fondamentale : relativité général e, gravitation à très courte distance
� Horloges atomiques, gyromètres, accéléromètres, gra vimètres, gradiomètres, magnétomètres, …