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[Cahier Technique] Gravimétrie quantique, de la pomme de Newton aux ondes de matière

La rédaction
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[Cahier Technique] Gravimétrie quantique, de la pomme de Newton aux ondes de matière

Lors d’une campagne de mesures sur l’Etna, en Sicile, le gravimètre quantique de Muquans a permis « d’écouter l’intérieur du volcan» pour détecter les mouvements internes du magma.

Exploitant les phénomènes de superposition et d’intrication, les capteurs quantiques sont emblématiques de la seconde révolution quantique. Illustration avec un gravimètre utilisant les propriétés ondulatoires d’atomes refroidis au microkelvin.

Depuis plus d’un siècle, les découvertes géniales des grands physiciens tels qu’Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger ou Werner Heisenberg bouleversent notre vision du monde. En effet, ces travaux ont donné naissance à une discipline nouvelle, la mécanique quantique, qui nous a permis de découvrir et comprendre les étonnantes propriétés du monde de l’infiniment petit. Elle est ainsi à l’origine d’un grand nombre de révolutions technologiques, telles que le laser, le transistor ou les circuits intégrés, qui ont permis de façonner le monde que nous connaissons aujourd’hui. L’histoire n’est pas finie : la physique quantique est loin d’avoir épuisé toutes ses ressources et offre encore de belles promesses.

1. Technologies quantiques

L’utilisation des phénomènes de superposition ou d’intrication quantique qui, jusqu’à un passé relativement récent, étaient perçus comme des curiosités scientifiques, est aujourd’hui considérée comme une technologie de rupture dans différents domaines d’application. C’est la raison pour laquelle on assiste depuis quelques années à un engouement sans précédent pour les technologies quantiques. Ce domaine de recherche bénéficie d’investissements très importants, que ce soit de la part des pouvoirs publics, de fonds d’investissement ou de grands groupes industriels.

Parmi les applications emblématiques de ces technologies quantiques figure évidemment l’ordinateur quantique qui est considéré par beaucoup comme la prochaine révolution technologique dans le domaine du traitement de l’information, et qui fait l’objet d’un effort de R & D très grand de la part des géants de l’informatique (IBM, Google et Intel, pour citer les plus actifs).

En parallèle, des perspectives fantastiques ont également été identifiées dans le domaine des capteurs. En effet, les lois de la physique quantique présentent également un fort potentiel pour différents types de mesures de précision et différents capteurs révolutionnaires sont à l’étude dans les laboratoires. On peut notamment citer l’utilisation des centres NV pour la réalisation de magnétomètres de haute performance, le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques, ou les mesures des grandeurs inertielles (accélérations et rotations).

Nous allons ici nous focaliser sur l’utilisation des techniques de manipulation quantique d’atomes refroidis par laser pour la mesure de gravité (g 9.81 m.s-2). Au travers de ces nouveaux capteurs gravimétriques, nous chercherons à donner un exemple d’application des lois de la physique quantique, à mettre en évidence la très grande complexité expérimentale associée aux technologies quantiques et à préciser le bénéfice apporté par cette révolution technologique à un cas concret d’utilisation.

2. Mesure de la gravité

Sur le fond, le principe de fonctionnement d’un gravimètre absolu est extrêmement simple puisqu’il s’inspire directement de la fameuse expérience de la pomme de Newton, qui consiste à laisser tomber une masse d’épreuve en chute libre et à caractériser l’accélération verticale subie par cet objet au cours de sa chute. Différents instruments, tels que le FG5 commercialisé par la société Micro-g LaCoste, ont ainsi été développés sur la base de ce concept.

Ils sont composés d’une enceinte à vide, dans lequel un dispositif mécanique permet de laisser chuter une masse d’épreuve, puis de la remonter ; et d’un système de mesure qui permet de caractériser précisément l’accélération subie par la masse d’épreuve au cours de la chute. Ce type d’instrument permet de réaliser, dans des environnements calmes au plan sismique, des mesures de gravité avec d’excellentes performances et on parvient à obtenir des incertitudes sur la valeur de g mesurée inférieures à 10-9 g. C’est la nature de la masse d’épreuve utilisée qui fait la spécificité du gravimètre quantique puisque, au lieu d’utiliser un objet solide, nous allons utiliser un nuage d’atomes de rubidium piégés et refroidis par laser.

3. Piégeage et refroidissement d’atomes par laser

Depuis les années 1980, on sait qu’il est possible de refroidir par laser des gaz atomiques à des températures proches du zéro absolu en les ralentissant jusqu’à les rendre presque immobiles. On parvient ainsi couramment en laboratoire à obtenir des températures de l’ordre de 1 µK, soit à peine un millionième de degré au-dessus de zéro. Ce froid extrême révèle, en quelque sorte, la nature quantique des atomes. À ces températures, ils sont tous délocalisés et caractérisés par la même fonction d’onde. Ils forment une assemblée d’atomes cohérents qui vont pouvoir être manipulés et amenés à interférer comme des ondes electromagnétiques.

Pour se faire une idée du fonctionnement des techniques de refroidissement d’atomes par laser, il est important de comprendre comment un faisceau laser peut ralentir un atome. L’atome suit un cycle absorption-émission spontanée lors de son interaction avec le laser (fig. 1). On considère un atome ayant une quantité de mouvement p qui rencontre un photon résonant avec une transition atomique. Ce photon est donc absorbé par l’atome qui passe ainsi de son état fondamental d’énergie E1 à l’état excité d’énergie E2. Le photon transportait aussi une impulsion hkL, transmise à l’atome. Autrement dit, en absorbant le photon, l’atome encaisse l’impulsion du photon hkL dans la direction incidente de celui-ci.

 

FIG 1. Un faisceau laser pour modifier la vitesse des atomes


En absorbant un photon issu d’une source laser, l’atome encaisse une impulsion dirigée dans le sens du faisceau. En se désexcitant, il émet un photon qui emporte une impulsion dans une direction aléatoire. Cette perte d’impulsion est donc moyennée à zéro pour un grand nombre de photons, tandis que les impulsions gagnées lors de l’absorption s’ajoutent. L’atome acquiert ainsi une impulsion nette dans le sens du faisceau.

 

L’atome retombe ensuite dans l’état fondamental E1 en émettant un photon dans une direction aléatoire par émission spontanée. Après un nombre N de cycles d’absorption-émission, l’atome a donc encaissé une impulsion NhkL du faisceau laser et a libéré une impulsion égale à la somme des impulsions des photons spontanés. Or, comme ces photons spontanés ont une direction aléatoire, cette somme tend vers 0 quand le nombre de cycles absorption-émission spontanée augmente. Avec un grand nombre d’impulsions laser, l’atome encaisse donc en définitive une impulsion nette dans la direction du faisceau incident. S’il se dirigeait initialement vers le laser, il est donc ralenti. Ce ralentissement est extrêmement efficace et la vitesse d’un atome peut passer de quelques centaines de m/s à quelques cm/s sur des distances inférieures au mètre.

La technique pour refroidir un gaz d’atomes en les immobilisant consiste à les ralentir dans les trois dimensions grâce à trois paires de faisceaux laser contra-propageants. Pour cela, la fréquence des lasers est délibérément réglée à une valeur légèrement inférieure à la fréquence correspondant à la transition atomique. De la sorte, par effet Doppler, c’est préférentiellement quand ils se déplacent vers la source laser que les atomes absorbent les photons (fig. 2). Ainsi, si un atome se déplace vers la droite, il absorbe de préférence des photons issus du faisceau qui vient de la droite. Et s’il se déplace vers la gauche, il absorbe des photons issus du faisceau qui vient de la gauche. Il en résulte une force de friction qui freine les atomes et les immobilise.

On parle alors de « mélasse optique ». Ce processus est très efficace et permet de quasiment immobiliser tous les atomes éclairés par les lasers. On parvient ainsi à obtenir des vitesses résiduelles de l’ordre du cm/s, ce qui correspond à des températures d’agitation thermique de l’ordre du microkelvin (µK).

FIG 2. Mélasse optique


En absorbant un photon issu d'une source laser, l'atome encaisse une impulsion dirigée dans le sens du faisceau. En se désexcitant, il émet un photon qui emporte une impulsion dans une direction aléatoire. Cette perte d'impulsion est donc moyennée à zéro pour un grand nombre de photons, tandis que les impulsions gagnées lors de[…]

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