Vers la nouvelle génération de capteurs atomiques – TONICS

L'interférométrie atomique est une technique qui permet d'effectuer des mesures avec une précision et une exactitude extrêmes. Elle a été appliquée à la mesure de plusieurs quantités physiques, couvrant les grandeurs inertielles, les polarisations atomiques et les constantes physiques fondamentales, telles que la constante de gravitation newtonienne G et la constante de structure fine a. Pour la prochaine décennie, la recherche en interférométrie atomique s’est fixée de grands défis comme par exemple la détection d’ondes gravitationnelles qui nécessite un gain en sensibilité de 3 à 4 ordres de grandeurs par rapport à l’état de l’art.
Le projet TONICS vise à fédérer les compétences de deux équipes du LKB et du SYRTE pour lever les verrous qui limitent l'exactitude et la sensibilité des interféromètres atomiques. En particulier, les effets liés à la distorsion du profil d'intensité des faisceaux laser. Nous travaillerons conjointement pour mettre en place des méthodes fiables et robustes afin d’améliorer l'exactitude de nos mesures de la gravité et du recul atomique déjà à l'état de l'art. Cette étape est indispensable pour exploiter et valider le bénéfice des nouvelles méthodes préconisées afin de réaliser des interféromètres ultra sensibles, comme par exemple les séparatrices atomiques à grand transfert d’impulsions (LMT) à des ordres élevés et les protocoles d’ingénierie quantique telle que la compression de spins pour aller au-delà de la limite quantique standard.
Le projet TONICS s’articule sur trois volets.
1/ le développement de nouveaux d’outils expérimentaux robustes pour réduire et contrôler l’effet des aberrations optiques. Pour cela, l’équipe du SYRTE travaillera sur la conception de collimateurs avec une excellente qualité optique et celle du LKB étudiera différents schémas de refroidissement laser pour proposer un protocole expérimental permettant de produire une source dense d’atomes ultra froids en un temps de cycle de l’ordre de la seconde. En parallèle, nous travaillerons sur l'amélioration de nos deux dispositifs expérimentaux pour gagner en sensibilité et pouvoir exploiter pleinement les bénéfices de ces deux ingrédients.
2/ le développement d’outils communs pour la modélisation et la simulation numériques des phénomènes physiques à l’origine des effets systématiques qui affectent nos mesures. Ceci nécessitera des tests croisés sur les deux expériences et permettra ainsi une évaluation fiable des biais systématiques. Cette séquence de travail nécessitera des échanges très réguliers facilités par le recrutement d’un doctorant co-encadré et la mise en place d’une plateforme informatique commune.
3/ l'optimisation de la cohérence des séparatrices atomiques à grand transfert d’impulsions combinant la technique de la double diffraction Raman proposée par l’équipe du SYRTE et la technique des oscillations de Bloch qui relève de l’expertise du LKB. Nous proposons d’étudier un interféromètre symétrique utilisant ces LMT. Notre objectif est d’atteindre un contraste supérieur à 30% avec une séparation de 200 hk.
Nous visons des performances qui dépassent l’état de l’art. L'objectif de l'équipe du SYRTE est une mesure absolue de la gravité avec une exactitude inférieure à 10-8 m.s-2 et une stabilité à long terme meilleure que 10-10 m.s-2. Un gravimètre continu et absolu avec une stabilité à long terme de ce niveau répondra aux besoins de la communauté géophysique qui ne sont pas couverts par les technologies existantes. L'objectif de l'équipe du LKB est de mesurer la vitesse de recul des deux isotopes du rubidium avec une incertitude relative de quelque 10-11. Ceci devrait valider la récente détermination de la constante de structure-fine ou/et d'expliquer le désaccord significatif avec la valeur déduite de la mesure du recul du Cs. Ce niveau d’incertitude est aussi nécessaire pour observer sur l’électron, un éventuel effet qui serait à l'origine du désaccord entre le calcul et la mesure du moment magnétique du muon.