hoRloge Optique à Ytterbium Mobile Appliquée à l’exploration GEodésique – ROYMAGE

Ce projet propose de construire une horloge optique à atomes d'ytterbium et d'explorer les applications de ce type d'instrument en géodésie et en géodynamique. La fréquence d'un oscillateur étant sensible au potentiel gravitationnel de la Terre engendré par les masses, la mesure du décalage en fréquence entre deux horloges est interprétable comme une mesure de différence de potentiel ou une différence d'altitude. La perspective de contrôler la fréquence de l'horloge avec 18 chiffres significatifs est désormais une réalité, ce qui se traduit par la possibilité de mesurer des différences d'altitude au cm près, ou des variations du géopotentiel à 0.1 m2/s2 près. Parallèlement, des réseaux de fibres optiques dédiés à la dissémination d’un signal ultrastable à 1542 nm sont en cours de déploiement à travers toute l’Europe, notamment sous la forme de l’Equipex REFIMEVE+ en France. L’horloge mobile permettra à terme des mesures d'écarts d'altitude centimétriques entre un point de référence et n'importe quel point d'accès à ce réseau Européen jusqu’à quelques milliers de km de distance. Une telle mesure n'est aujourd'hui accessible par aucun instrument, que ce soit en géodésie terrestre, marine, ou depuis l'espace.

Cette mesure inédite mènera ainsi à des applications innovantes tant en géodésie opérationnelle qu'en Sciences de la Terre. En géodésie opérationnelle, la mesure précise des différences d'altitude à distance permettra de corriger les dérives des mesures traditionnelles de nivellement, et de constituer des références d'altitudes homogènes à l'échelle continentale. La mesure de différence de géopotentiel peut aussi améliorer considérablement la détermination des surfaces équipotentielles du potentiel de pesanteur, et particulièrement celle de référence : le géoïde, qui coincide avec le niveau moyen des mers, avec des impacts sur la détermination des références en mer et sur l'étude des courants côtiers. De plus, du fait que ces nouvelles observables ont une sensibilité spectrale au champ de pesanteur complémentaire aux mesures gravimétriques usuelles, le suivi des variations du géopotentiel en un lieu ouvrira une nouvelle fenêtre sur les transferts de masses causés par différents types de processus dynamiques (déformations tectoniques, volcanisme, cycle sismique, ou évolution du niveau des mers...). Ces aspects pourraient contribuer à une prise de conscience publique des risques naturels et attirer l’attention des décideurs les plus importants.

De nombreux défis technologiques et conceptuels doivent être relevés afin de déplacer un appareil aussi précis qu’une horloge atomique de l’environnement bien contrôlé d’un laboratoire à des conditions extérieures non contrôlées. Différentes approches sont présentées dans le projet ROYMAGE, notamment pour préserver à la fois la stabilité et la faible incertitude de l’horloge, réduire le besoin de puissance électrique et référencer tous les instruments embarqués uniquement sur la porteuse ultrastable à 1542 nm fournie par le réseau fibré. A cette fin, nous proposons des techniques novatrices de stabilisation des vibrations par sismomètres, de double zone de piégeage des atomes d’Ytterbium pour minimiser les temps morts ou encore de « boostrapping » d’un peigne de fréquence attaché en permanence au dispositif. L’horloge sera assemblée au SYRTE (Observatoire de Paris), et avant d’être déplacée aux nœuds du réseau fibré européen, ses performances métrologiques seront évaluées par comparaison aux 6 horloges atomiques (strontium, mercure, caesium) déjà opérationnelles dans le laboratoire.

En conclusion, le projet vise la construction du cœur de l’horloge, démontrant la faisabilité de l'instrument, et l'évaluation de son apport pour les applications visées en fonction de sa précision. Il est porté par un consortium rassemblant des spécialistes des technologies quantiques, de géophysique et de géodésie, et des experts opérationnels des références géodésiques terrestres et marines.