gyro-accéléromètre à atomes froids - trt.thalesgroup.com · observatoire de paris lne-syrte mot...
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Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Source F Source V
Deux sources atomiques
2. Takeff
rr2.2 TVkeff
rrr∧Ω−
rotationonaccélérati ∆Φ+∆Φ=∆Φ
Déphasage de Rotation:Direction des atomes
2VF
acc
∆Φ+∆Φ=∆Φ
2VF
rot
∆Φ−∆Φ=∆Φ
∆Φ∆Φ∆Φ∆ΦV ∆Φ∆Φ∆Φ∆ΦF
Principe
Observatoire de Paris LNE-SYRTEMOT 1 MOT 2
Z
X
Y
Atomes froidsBon contrôle de la vitesse moyenneFaible dispersion en vitesse
Faisceau laser unique pulséBonne stabilité et connaissance du facteurd’échelle
probe
PARAMETRES
Cs atomsTatoms~1 µK
Vitesse lancement : 2.4 m/sAngle 8°
Tc = 0.58 s
Dispositif expérimental
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
ΩΩΩΩyZ
XYππππ ππππ/2ππππ/2
az
2T = 80 ms
Sommedes signaux: Acceleration
Differencedes signaux: Rotation
1000 2000 3000 4000 5000 6000-1.0x10-5
-8.0x10-6
-6.0x10-6
-4.0x10-6
-2.0x10-6
0.0
2.0x10-6
9.809304
9.809306
9.809308
9.809310
9.809312
9.809314
Acc
eler
atio
n (
m.s-2
)
Ro
tatio
n (
rad
/s)
Time (s)
Rotation
Acceleration50 mrad
Réjection de l’accélération
Mesures verticales
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Rot
atio
n no
ise
(rad
/s) 2.4 10-7 rad/s @ 1 second
1.4 10-8 rad/s
Integration Time [sec]
Acc
eler
atio
n (
m.s
-2)
2.7 10-9 g
5.5 10-8 g @ 1 second
Integration Time [sec]
Accéleration limitée par vibrations
Meilleur rapport signal sur bruit :200 Avec correction du sismometre:3.5 10-8 g in 1 s
Rotation limitée par QPN
Compétitif avec les meilleurs gyro à fibres
Sensibilité caractérisé par l’écart type d’ALLAN
Stabilité
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Changing the orientation of the experiment- modulates the projection of the Earth rotation- changes the rotation rate in a controled way
-4.0x10-5 -2.0x10-5 0.0 2.0x10-5 4.0x10-5-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ph
ase
shift
(ra
d)
Rotation rate (rad/s)
Excellent linearityNo quadratic term at the 10-5 level
-90 -60 -30 0 30 60 90-0.004
0.000
0.004
Re
sidu
als
(ra
d)
Angle θ (degree)
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Rot
atio
n ph
ase
shift
(ra
d)
Fit with a free offset : 29 mrad
North
South ΩΩΩΩEx
yθ
z
East
WestΩΩΩΩy
Test du facteur d’échelle
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Cool, repump, drive theRaman pulses anddetectwiththe same laser beamleading to a drastic reduction in complexity and volume.
Pyramide creuse
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
σ+
σ-
X
Y
σ-
σ+
σ+
σ-
π/2
π/2
π Atominterferometer
during thefree fall
Coils
DetectionF = 1, F = 2
3D PYRAMIDAL MOT
4 106 Rb-atoms in 360 ms
Tatoms~2.5 µK
Raman 1Raman 2
CoolingInterferometer
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 368
101214161820
2224
262830
323436
384042
cont
rast
e de
l'in
terf
érom
ètre
(%
)
courant bobines axe porte-banc optique (A)
contraste T = 40ms 2 contraste T = 1ms 2 contraste T = 40ms 1 contraste T = 1ms 1 contraste T = 40ms 3 contraste T = 1ms 3
4/12/2008 contraste des atomes issus de la pyramide en fonction de la position initiale du nuage au lâcher
40%
21%
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 20
50000
100000
150000
200000
nom
bre
vra
i d'a
tom
es
MO
T a
vant
sel
ectio
n
courant bobines axe porte-banc optique (A)
Nombre d'atomes MOT vs position du MOT
Atomes placés loin des franges noires
Tests: 50 mW de puissance laser
Temps d’interaction : 80 ms
Durée du cycle : 560ms
3.105 atomssélectionnés
Influence de la position initiale
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
0 20 40 60 8016
18
20
22
24
26
28
30
32
cont
rast
e (%
)
durée 2T de l'interféromètre (ms)
Evolution du contraste avec la durée de l'interféromètre Contrast: 18 %
Sources of contrast losses: Atoms non re-transfered by unperfect Micro Wave pulseSpontaneus emission: 3.6%. Tranverse laser intensity variations, phase inhomogeneity coming from the pyramid coupledwith transverse speed of atoms.
Contraste
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Stabilité long terme : 5.10-9 g. limite attribuée aux distortions des fronts d’onde des laser Raman
Sensibilité court terme: 1.2 10-7 g/Hz1/2
limitée par vibrations (et référence fréquence MW).
Améliorations:Pyramide plus « propre »Plus de puissance laserAugmenter taille de la pyramide=> Plus d’atomes
Stabilité
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
E.G. Adelberger, B.R. Heckel, A.E. Nelson, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 53, 77, (2003) A. Geraci et al., Phys Rev D 78, 022002 (2008)
Difficulté de mesurer force gravitationnelle, faible devant force de VDW, Casimir, forces parasites
Nouvelles forces prédites par modèle d’unification
Potentiel de Yukawa ajouté au potentiel de Newton( ))/(121 λα re
r
MGM −+
Mesures des forces gravitationnelles imposent contraintesdans le plan (λ ,α)
Tests de gravité à courte distance
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
N10 m1 23CP
−≈→= FL µ50
CP 2
3
L
cF
παh=
L
atome
Richesse :
- 2 croisements : 1/L4 (VdW) - 1/L5 (CP) - 1/L4 (thermal)
M. Antezza et al., PRA70, 053619 (2004)
van der Waals-London
Casimir-Polder
Lifshitz(thermal)
- Hors d’équilibre :Dépendance en 1/L3 supplémentaireThéorie et expérience (2007)
- Dépendence en fonction de l’état atomique, des propriétés de la surface …- Expériences confirment la théorie au niveau de ≥≥≥≥10%
Rb
Force de Casimir Polder
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
miroir
266 nm Gravité ⇒ effet tunnel non résonant ⇒ LocalisationEchelle d’états de Wannier-Stark
g
Atomes de 87RbPiégés dans onde stationnaire désaccordée dans le bleu (532 nm)
Principe de l’interféromètre : séparation des paquets d’onde sur des puits voisins, puis recombinaison OUTILS : transitions Raman ∆Φ=(Um+1-Um-1)2T/ħ
Principe de l’expérience
P. Wolf et al, PRA 75, 063608 (2007)
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
|g>
|e>
∆g
imxik
mi WeW +Ω=Ω ˆ
2−Ω
1Ω
1−Ω0Ω 2Ω
2 4 6 8 100.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Ωi/Ω
Ω0/Ω
Ω±1
/Ω
Ω±2
/Ω
U/Er
Raman couplent |g> et |e> dans le même puits,
Mais aussi entrepuits voisinspour un désaccord±∆g
Bonne efficacité pour keff ~ kL
Pour profondeur de qqEr, couplagesΩ0 ≈ Ω±1.
∆∆∆∆g ≈ 500 Hzest résolu par les lasers Raman
⇒ Bon contrôledes états externes en jouant sur la différence de fréquence des faisceaux Raman
Transitions induites par lasers Raman
Ω±1 ≈ 5Ω0 ≈ 5Ω±2
λλλλL=532 nm
Manipulation des états de WS
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
- Séquence d’impulsions Raman- Séparer/recombiner avec des impulsions désaccordées de 0, ±∆g.
- Sensibilité: ∆∆∆∆φφφφ = 10-4 rad (après intégration), T1+T2 = 0.1 s, ⇒ ∆∆∆∆E / h ≈ 10-4 Hz- Mesureg et m/hau niveau de 10-8 – 10-9 (pour des séparations de 10 – 100 puits)
- Superposition proche d’un miroir- Mesure de ∆∆∆∆UQED au niveau de qq pour mille- Amélioration des tests de gravité courte distance
Principe de l’interféromètre
|g>
|e>
m
m+1
m-1
Observatoire de Paris LNE-SYRTE
Travail d’équipe :Equipe Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels
GRAVI : Q. Bodart, A. Chauvet, S. Merlet, A. Landragin, FP + anciensPYRAMID : Q. Bodart, FP, P. Bouyer, A. Landragin=> MINIATOMGYRO : T. Lévèque, C. Garrido-Alzar, AL + anciensFORCA-G : Q. Beaufils, X. Wang, FP + Théorie SYRTE + LKB
Financements :
Collaborations : - Communauté des géophysiciens- Europe : FINAQS + Euroquasar + iSense- Espace : ICE + SAI