Vers des accéléromètres à atomes froids de plus grande précision

 

Pour la première fois, une équipe de physiciens français (CNRS, Institut d'Optique Graduate School, Observatoire de Paris, ONERA, UPMC, Université Paris-Sud et Université de Bordeaux), soutenue par le CNES et l’ESA, a réussi à mettre au point un accéléromètre à atomes froids résistant aux vibrations. Testé lors d’un vol parabolique, ce prototype a pu mesurer des accélérations infimes, ce qui n’était possible jusqu’ici qu’en laboratoire. De quoi espérer développer bientôt des accéléromètres à atomes froids transportables et ainsi perfectionner les systèmes de positionnement et la prospection géologique, ou encore tester directement des volets de la relativité d’Einstein. Ces résultats sont publiés dans Nature communications.

Les accéléromètres atomiques offrent une précision nettement supérieure aux accéléromètres traditionnels, employés notamment dans les smartphones ou à bord des satellites et des navires. Hélas, ils doivent leur fragilité à leur principe même de fonctionnement : ils utilisent des atomes refroidis par laser à une température proche du zéro absolu. Les atomes manifestent alors un comportement ondulatoire, comme les faisceaux lumineux, permettant de réaliser des interféromètres à ondes de matière extrêmement sensibles aux accélérations. C’est cette particularité qu’exploitent les accéléromètres atomiques, mais au prix d’une complexité expérimentale diabolique et d’une extrême sensibilité aux vibrations.

Les faire fonctionner à bord de l’Airbus « A300 ZERO-G » de la société Novespace, qui décrit des paraboles dans le ciel pour reproduire la microgravité, relevait donc de la gageure. Pour y parvenir, l’équipe de chercheurs a inventé une technique inédite en croisant les données issues de l’accéléromètre atomique avec celles d’accéléromètres conventionnels. Cela leur a permis de mesurer l’accélération de l’avion avec une précision plusieurs centaines de fois supérieure aux autres accéléromètres à partir d’un signal pourtant extrêmement bruité en raison des secousses permanentes.

La démonstration de la viabilité de cet accéléromètre atomique en conditions difficiles ouvre la voie à une exploitation commerciale. Le modèle utilisé en vol était volumineux (4 m3), mais les scientifiques du CNRS en ont développé depuis une version transportable, de la taille d’une malle. Commercialisée dès l’an prochain, elle est destinée avant tout aux laboratoires de recherche en géophysique. En effet, toute variation dans la composition de la croûte terrestre se reflète dans le champ de pesanteur local : en cartographiant finement ce champ sur le terrain à l’aide d’un accéléromètre atomique, on pourrait identifier des filons minéraux, surveiller l’activité sismique ou volcanique du sous-sol, contrôler la sécurité de puits de pétrole…

Sur le plan de la recherche fondamentale, l’accéléromètre va servir à tester le principe d’équivalence de la relativité générale, selon laquelle l’accélération de la gravité est la même pour tous les objets. C’est d’ailleurs pour cette raison que les chercheurs ont veillé à rendre leur instrument capable d’encaisser des vols paraboliques, au cours duquel l’appareil se trouve brièvement en microgravité. Le principe d’équivalence sera mis à l’épreuve lors de prochaines expériences en vol, mettant en scène deux accéléromètres atomiques fonctionnant avec des atomes de nature différente. Les scientifiques chercheront ainsi à savoir si les accéléromètres donnent strictement les mêmes résultats. Une réponse affirmative signifierait qu’Einstein avait raison.


Ces travaux ont été réalisé dans le cadre du projet ICE (Interféromètre Cohérence dans l’Espace) qui est une collaboration entre :
- le Laboratoire Charles Fabry (Institut d'Optique Graduate School, CNRS, Université Paris-Sud)
- le Laboratoire Photonique Numérique et Nanosciences (Université Bordeaux 1, Institut d'Optique Graduate School, CNRS)
- le LNE-SYRTE (Observatoire de Paris, CNRS,  UPMC, Laboratoire national de métrologie et d'essais)
- l’ONERA, The French Aerospace LabTM
- le CNES, Centre national d’études spatiales


Contacts

Chercheur : Philippe Bouyer - T 06 22 96 92 36 - philippe.bouyer @ institutoptique.fr
Presse CNRS : Julien Guillaume - T 01 44 96 46 35 - julien.guillaume @ cnrs-dir.fr
Presse Université Paris-Sud : Cécile Pérol - 01 69 15 41 99 - cecile.perol @ u-psud.fr