ICE, pour « Interférométrie à source cohérente pour l’espace », est une expérience menée par le laboratoire photonique, numérique et nanosciences de l’Institut d’Optique d’Aquitaine.
Objectif scientifique
L’expérience ICE a pour but de tester le principe d’équivalence, qui établit que deux masses différentes dans un champ gravitationnel tombent avec la même accélération.
Pour vérifier (ou non) ce principe à une échelle microscopique et quantique, le but de l’équipe de recherche est de construire un interféromètre atomique bi-espèce afin de mesurer une différence d’accélération entre les deux atomes de masse et de structure différentes.
La sensibilité de mesure augmente avec la durée de la séquence expérimentale.
Le principe d’équivalence établit que n’importe quel objet, quel que soit sa masse, est sujet à la même accélération dans un champ gravitationnel
Des temps d’interrogation plus longs en impesanteur
Sur Terre, les atomes tombent sous l’effet de la gravité et ne peuvent plus contribuer au signal à un certain moment car ils quittent la zone de mesure. En impesanteur, les atomes restent au centre de la chambre d’expérience et on peut atteindre des temps d’interrogations bien plus longs, et donc une bien meilleure sensibilité.
Les expériences d’interféromètre atomique sont généralement installées en environnement calme, tel un laboratoire. Pour faire la même expérience dans l’Airbus A310 Zero G, où le niveau de vibrations est élevé, on utilise de nouvelles techniques pour réaliser le montage, qui doivent être compactes, robustes et insensibles aux fluctuations thermiques et mécaniques. L’expérience doit logiquement constituer un premier pas vers un système spatialisable.
Description du montage expérimental
L’expérience a été conçue pour supporter des hauts niveaux de vibrations et de fluctuations. On utilise un système laser complexe, pour piéger et refroidir les deux espèces atomiques (rubidium and potassium) dont nous avons besoin pour l’expérience.
La fréquence du laser est asservie très précisément en sondant la transition atomique du Rubidium (respectivement Potassium). Un troisième laser à 770 nm est utilisé pour augmenter l’efficacité du refroidissement de Potassium.
Le même système laser permet de générer les impulsions lumineuses appliquées aux atomes en chute libre, pour réaliser la séparation des paquets d’onde et les faire interférer.
On mesure la phase en sortie de l’interféromètre en détectant par fluorescence les atomes se retrouvant dans un état d’énergie donné. Une chaine de fréquence génère des signaux micro-ondes qui nous permettent de contrôler les états internes des atomes. Un oscillateur quartz est utilisé comme référence pour le peigne de fréquence et les signaux micro-ondes. La synchronisation de l’expérience est également cruciale : l’ensemble du système est contrôlé par un ordinateur et des cartes générant des signaux digitaux et analogiques de très haute précision temporelle.
Système laser fibré pour refroidir et piéger les atomes. Les atomes sont contenus dans une chambre d’expérience où le vide est très poussé (10-9 Torr)
Les atomes sont piégés au croisement de six faisceaux laser au centre de l’enceinte et peuvent être refroidis en dessous du µK correspondant à des vitesses de déplacement de l’ordre du millimètre par seconde ! Cette température très basse donne une forte cohérence à la source ondulatoire de matière de l’interféromètre atomique, et donc contribue à obtenir un bon rapport signal à bruit.
Applications de l’expérience
Les interféromètres à atomes froids transportables peuvent être utilisés dans des domaines différents.
Utilisation dans l’espace : outils de mesure
Dans l’espace, ils peuvent constituer des outils de mesures précieux pour les tests de Relativité Générale, comme l’horloge atomique Pharao sur l’ISS. ICE est une étape importante pour la préparation du projet STE-QUEST dont l’objectif est d’envoyer une horloge atomique et un interféromètre atomique double espèce sur un satellite pour tester notamment l’universalité de la chute libre.
Utilisation sur Terre : gravimètres ou gyroscopes atomiques
Sur Terre, les gravimètres ou gyroscopes atomiques peuvent être utiles pour la navigation inertielle, la géophysique ou la métrologie. Par exemple on a utilisé notre interféromètre atomique pour mesurer les accélérations résiduelles de l’avion.
Relié à un accéléromètre classique qui permet de réaliser une première mesure grossière de l’accélération, le senseur de mesure fine peut détecter des effets inertiels 300 fois plus faibles que les fluctuations typiques d’accélération de l’avion.