Capteurs à Atomes de Rydberg pour la Detection de chAMps microONdEs – CARDAMONE

Cela fait maintenant une cinquantaine d’années que les atomes de Rydberg ont attiré l’attention des scientifiques, d’une comme sujet de recherche fondamentale ou pour le développement de simulateurs quantiques, et aussi récemment pour leur potentiel en tant que capteurs pour la détection et l’imagerie de champs électromagnétiques. La plupart des schémas proposés pour la détection de champs micro-ondes reposent sur l’utilisation de la transparence électromagnétiquement induite (EIT) d’un système en échelle : si l’état de plus haute énergie est un état de Rydberg couplé à d’autres états, le phénomène EIT est alors perturbé, il se dédouble par effet Autler-Townes et on obtient deux résonances EIT au lieu d’une.
Comparées aux antennes dipôles métalliques actuellement utilisées pour ce genre d’applications, les cellules diélectriques d’atomes de Rydberg à température ambiante permettent d’envisager des mesures indépendantes de la longueur d’onde, précises, avec une très grande sensibilité et dynamique, une stabilité intrinsèque et une auto-calibration. De plus, la partie sensible du capteur est purement diélectrique et ne perturbe par conséquent pas le champ à mesurer. Alors que cette technologie naissante intéresse les Etats-Unis et la Chine, mise à part une nécessité de souveraineté, un enjeu est de cibler les applications dans lesquelles les capteurs à atomes de Rydberg seront particulièrement performants et ainsi surpasser les technologies existantes. Le projet CARDAMONE a pour but d’étudier les avantages et limitations de cette technologie, à la fois d’un point de vue expérimental et théorique et de proposer des solutions optiques basées sur des modulations des champs de sonde et de couplage.
L’une des limitations les plus évidentes est en effet imposée par les niveaux de Rydberg mis en œuvre, qui certes peuvent adresser une gamme de fréquences allant du kHz au THz, mais dont le caractère discret limite l’agilité fréquentielle et la bande passante du dispositif. Un second verrou concerne la bande passante instantanée de mesure, qui est aujourd’hui mal comprise, comme le montrent les désaccords entre les mesures expérimentales et les modèles théoriques. Enfin, la détection de la phase du champ électrique nécessite actuellement d’ajouter une antenne émettrice d’un oscillateur local qui peut par exemple perturber le fonctionnement d’une antenne.
L’objectif de l’ANR ASTRID CARDAMONE est donc de développer des architectures originales de modulation du faisceau sonde et/ou du faisceau pompe, afin de pouvoir d’une part ajuster à loisir la bande passante de détection RF du système, tout en maintenant une sensibilité adéquate, et d’autre part de mesurer non plus seulement la puissance du rayonnement RF détecté, mais aussi sa phase. Il s’agit donc de permettre à terme de répondre aux enjeux applicatifs de cette étude, que cela soit pour la métrologie des rayonnements des antennes émettrices ou pour les applications de type radar ou guerre électronique. Le consortium du projet CARDAMONE allie des acteurs académiques et industriels, spécialistes aussi bien de la physique quantique, des technologies de l’optique, que des applications de la RF aux radars, à la guerre électronique et aux systèmes de communication. Cette synergie entre des acteurs aux compétences complémentaire assurera un transfert efficace des résultats de CARDAMONE de la physique quantique aux applications.