Capteurs Quantiques Miniatures Multiaxes – MiniXQuanta

Pour concevoir l’accéléromètre atomique à réseau de diffraction, on mènera tout d’abord des simulations de la configuration des faisceaux d’interrogations diffractées par le réseau. Cette configuration est appelée Delta. Ces simulations nous permettront de valider le principe de sélectionner les différents axes en utilisant des transitions Raman sélective en vitesse, et cela nous donnera la liberté d’étudier l’influence des différents paramètres (axes de quantification, polarisation des faisceaux, rapport des intensités) dans cette architecture complexe. Cette étude nous aidera à définir les spécifications nécessaires pour la conception de la puce.
En parallèle, on abordera le défi d’ingénierie de miniaturiser cette technologie. A la suite du développement de puces atomiques hybrides spéciales, le développement d’un accéléromètre 3 axes miniaturisé constitue la partie centrale de l’étude et implique tous les partenaires du projet. Notre partenaire industriel iXblue fournira des spécifications supplémentaires pour une utilisation applicative, telles que la dimension, le poids et la puissance maximaux du système. Finalement, la performance du capteur miniature sera évaluée et on définira une feuille de route pour des améliorations futures.
Les atomes ultrafroids seront essentiels pour améliorer la performance de ces appareils, et plus spécifiquement pour les techniques d’interrogation simultanées suivant plusieurs axes. En conséquence, le projet implique également le développement d’une source d’atomes ultra froids miniaturisée. Le gain des gaz ultrafroids par rapports aux atomes froids sera évalué à la fin du projet.

Développement du réseau :

Le choix de la géométrie du réseau s’est basé sur des simulations numériques utilisant la méthode modale de Fourier et la mise en place des critères optiques pour le refroidissement laser en configuration tétraédrique.

Développement de la puce hybride :

La puce magnétique est réalisée. La puce magnétique génère un piège centré à une distance de 500µm de la surface de fils avec un confinement de fréquence ~500Hz pour un courant inférieur à 10A. Des essais d’hybridation de la puce avec le fil en Z macroscopique ont été réalisés.

Interférométrie sur puce :

Des simulations ont été réalisées pour déterminer les différentes transitions possibles dans un interféromètre sur puce. Un rapport sur ces simulations a été rédigé. La difficulté d’adresser spécifiquement les transitions nécessaires à un interféromètre Raman trois axes est soulignée. Les deux solutions actuellement envisagées pour répondre à ce problème sont d’une part, la levée de dégénérescence des différentes transitions possibles par effet Doppler, obtenue en conférant aux atomes une vitesse de norme et de direction précises et d’autre part, l’illumination sélective d’une partie du réseau de diffraction lors des interféromètres ce qui réduirait fortement le nombre de transitions parasites possibles.

Notre projet conduira à plusieurs résultats innovants :
• Mesures simultanées des différentes composantes des vecteurs « accélération » et « rotation » en utilisant une seule source d’atomes
• Grace au réseau, un haut niveau de stabilité de l’alignement des axes, ce qui est critique pour la navigation inertielle.
• Une tête de capteur à atomes froids miniatures avec un volume total de ~100 cm3.
• Une source à atomes ultrafroids permettant d’augmenter le contraste de l’interféromètre atomique et donc d’améliorer les performances pour les applications qui requièrent une grande sensibilité.
• De nouveaux types de gyroscopes à atomes froids qui sont insensibles aux accélérations et vitesses initiales non contrôlées-les deux limitations dans les systèmes existants.

1. Optique Nice 2022 session PAMO, Romain Calviac, Source atomique ultra-froide sur puce pour des applications embarquées (07/07/2022)
2. Workshop iQlev S.templier Cold atom 3-axis accelerometer for inertial navigation (22/11/2021)
3. Workshop Space optic for geophysics B. Battelier (Atom) optics in Space (11/10/2021)

La plupart des capteurs atomiques sont unidimensionnels, c’est-à-dire qu’ils peuvent mesurer un seul axe de rotation ou d’accélération à la fois. Pour la navigation inertielle, la restitution de la trajectoire d’un corps en mouvement requiert les mesures simultanées des accélérations et des rotations selon les trois directions orthogonales constituant la base d’une centrale inertielle complète. L’objectif premier de ce projet est de faire progresser la technologie vers une centrale inertielle quantique, en réalisant un interféromètre à atomes froids miniature qui est capable de mesurer les vecteurs 3D rotation et accélération. Notre plan est de réaliser le premier interféromètre multiaxe avec des atomes ultrafroids sur une puce hybride magnétique incluant un réseau optique. L’objectif de MiniXQuanta est de pousser le développement des capteurs inertiels miniatures vers le plus haut niveau de performance (grade stratégique) avec comme ambition la navigation long terme sans GPS.