Gyro-accéléromètre à atomes froids - trt.thalesgroup.com · Observatoire de Paris LNE-SYRTE MOT 1 MOT 2 Z X Y Atomes froids Bon contrôle de la vitesse moyenne Faible dispersion

Observatoire de Paris LNE-SYRTE

Gyro-accéléromètre

à atomes froids


Source F Source V

Deux sources atomiques

2. Takeff

rr2.2 TVkeff

rrr∧Ω−

rotationonaccélérati ∆Φ+∆Φ=∆Φ

Déphasage de Rotation:Direction des atomes

2VF

acc

∆Φ+∆Φ=∆Φ

2VF

rot

∆Φ−∆Φ=∆Φ

∆Φ∆Φ∆Φ∆ΦV ∆Φ∆Φ∆Φ∆ΦF

Principe

Observatoire de Paris LNE-SYRTEMOT 1 MOT 2

Z

X

Y

Atomes froidsBon contrôle de la vitesse moyenneFaible dispersion en vitesse

Faisceau laser unique pulséBonne stabilité et connaissance du facteurd’échelle

probe

PARAMETRES

Cs atomsTatoms~1 µK

Vitesse lancement : 2.4 m/sAngle 8°

Tc = 0.58 s

Dispositif expérimental


Tous les axes d’inertie !!


ΩΩΩΩyZ

XYππππ ππππ/2ππππ/2

az

2T = 80 ms

Sommedes signaux: Acceleration

Differencedes signaux: Rotation

1000 2000 3000 4000 5000 6000-1.0x10-5

-8.0x10-6

-6.0x10-6

-4.0x10-6

-2.0x10-6

0.0

2.0x10-6

9.809304

9.809306

9.809308

9.809310

9.809312

9.809314

Acc

eler

atio

n (

m.s-2

)

Ro

tatio

n (

rad

/s)

Time (s)

Rotation

Acceleration50 mrad

Réjection de l’accélération

Mesures verticales


Rot

atio

n no

ise

(rad

/s) 2.4 10-7 rad/s @ 1 second

1.4 10-8 rad/s

Integration Time [sec]

Acc

eler

atio

n (

m.s

-2)

2.7 10-9 g

5.5 10-8 g @ 1 second

Integration Time [sec]

Accéleration limitée par vibrations

Meilleur rapport signal sur bruit :200 Avec correction du sismometre:3.5 10-8 g in 1 s

Rotation limitée par QPN

Compétitif avec les meilleurs gyro à fibres

Sensibilité caractérisé par l’écart type d’ALLAN

Stabilité


Changing the orientation of the experiment- modulates the projection of the Earth rotation- changes the rotation rate in a controled way

-4.0x10-5 -2.0x10-5 0.0 2.0x10-5 4.0x10-5-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ph

ase

shift

(ra

d)

Rotation rate (rad/s)

Excellent linearityNo quadratic term at the 10-5 level

-90 -60 -30 0 30 60 90-0.004

0.000

0.004

Re

sidu

als

(ra

d)

Angle θ (degree)

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Rot

atio

n ph

ase

shift

(ra

d)

Fit with a free offset : 29 mrad

North

South ΩΩΩΩEx

yθ

z

East

WestΩΩΩΩy

Test du facteur d’échelle


Vers des capteurs plus compacts :

Le gravimètre pyramidal


Cool, repump, drive theRaman pulses anddetectwiththe same laser beamleading to a drastic reduction in complexity and volume.

Pyramide creuse


σ+

σ-

X

Y

σ-

σ+

σ+

σ-

π/2

π/2

π Atominterferometer

during thefree fall

Coils

DetectionF = 1, F = 2

3D PYRAMIDAL MOT

4 106 Rb-atoms in 360 ms

Tatoms~2.5 µK

Raman 1Raman 2

CoolingInterferometer


-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 368

101214161820

2224

262830

323436

384042

cont

rast

e de

l'in

terf

érom

ètre

(%

)

courant bobines axe porte-banc optique (A)

contraste T = 40ms 2 contraste T = 1ms 2 contraste T = 40ms 1 contraste T = 1ms 1 contraste T = 40ms 3 contraste T = 1ms 3

4/12/2008 contraste des atomes issus de la pyramide en fonction de la position initiale du nuage au lâcher

40%

21%

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 20

50000

100000

150000

200000

nom

bre

vra

i d'a

tom

es

MO

T a

vant

sel

ectio

n

courant bobines axe porte-banc optique (A)

Nombre d'atomes MOT vs position du MOT

Atomes placés loin des franges noires

Tests: 50 mW de puissance laser

Temps d’interaction : 80 ms

Durée du cycle : 560ms

3.105 atomssélectionnés

Influence de la position initiale


0 20 40 60 8016

18

20

22

24

26

28

30

32

cont

rast

e (%

)

durée 2T de l'interféromètre (ms)

Evolution du contraste avec la durée de l'interféromètre Contrast: 18 %

Sources of contrast losses: Atoms non re-transfered by unperfect Micro Wave pulseSpontaneus emission: 3.6%. Tranverse laser intensity variations, phase inhomogeneity coming from the pyramid coupledwith transverse speed of atoms.

Contraste


Stabilité long terme : 5.10-9 g. limite attribuée aux distortions des fronts d’onde des laser Raman

Sensibilité court terme: 1.2 10-7 g/Hz1/2

limitée par vibrations (et référence fréquence MW).

Améliorations:Pyramide plus « propre »Plus de puissance laserAugmenter taille de la pyramide=> Plus d’atomes

Stabilité


Forca-G

Force de Casimir et

Tests de gravitation


E.G. Adelberger, B.R. Heckel, A.E. Nelson, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 53, 77, (2003) A. Geraci et al., Phys Rev D 78, 022002 (2008)

Difficulté de mesurer force gravitationnelle, faible devant force de VDW, Casimir, forces parasites

Nouvelles forces prédites par modèle d’unification

Potentiel de Yukawa ajouté au potentiel de Newton( ))/(121 λα re

r

MGM −+

Mesures des forces gravitationnelles imposent contraintesdans le plan (λ ,α)

Tests de gravité à courte distance


N10 m1 23CP

−≈→= FL µ50

CP 2

3

L

cF

παh=

L

atome

Richesse :

- 2 croisements : 1/L4 (VdW) - 1/L5 (CP) - 1/L4 (thermal)

M. Antezza et al., PRA70, 053619 (2004)

van der Waals-London

Casimir-Polder

Lifshitz(thermal)

- Hors d’équilibre :Dépendance en 1/L3 supplémentaireThéorie et expérience (2007)

- Dépendence en fonction de l’état atomique, des propriétés de la surface …- Expériences confirment la théorie au niveau de ≥≥≥≥10%

Rb

Force de Casimir Polder


miroir

266 nm Gravité ⇒ effet tunnel non résonant ⇒ LocalisationEchelle d’états de Wannier-Stark

g

Atomes de 87RbPiégés dans onde stationnaire désaccordée dans le bleu (532 nm)

Principe de l’interféromètre : séparation des paquets d’onde sur des puits voisins, puis recombinaison OUTILS : transitions Raman ∆Φ=(Um+1-Um-1)2T/ħ

Principe de l’expérience

P. Wolf et al, PRA 75, 063608 (2007)


|g>

|e>

∆g

imxik

mi WeW +Ω=Ω ˆ

2−Ω

1Ω

1−Ω0Ω 2Ω

2 4 6 8 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Ωi/Ω

Ω0/Ω

Ω±1

/Ω

Ω±2

/Ω

U/Er

Raman couplent |g> et |e> dans le même puits,

Mais aussi entrepuits voisinspour un désaccord±∆g

Bonne efficacité pour keff ~ kL

Pour profondeur de qqEr, couplagesΩ0 ≈ Ω±1.

∆∆∆∆g ≈ 500 Hzest résolu par les lasers Raman

⇒ Bon contrôledes états externes en jouant sur la différence de fréquence des faisceaux Raman

Transitions induites par lasers Raman

Ω±1 ≈ 5Ω0 ≈ 5Ω±2

λλλλL=532 nm

Manipulation des états de WS


- Séquence d’impulsions Raman- Séparer/recombiner avec des impulsions désaccordées de 0, ±∆g.

- Sensibilité: ∆∆∆∆φφφφ = 10-4 rad (après intégration), T1+T2 = 0.1 s, ⇒ ∆∆∆∆E / h ≈ 10-4 Hz- Mesureg et m/hau niveau de 10-8 – 10-9 (pour des séparations de 10 – 100 puits)

- Superposition proche d’un miroir- Mesure de ∆∆∆∆UQED au niveau de qq pour mille- Amélioration des tests de gravité courte distance

Principe de l’interféromètre

|g>

|e>

m

m+1

m-1


Travail d’équipe :Equipe Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels

GRAVI : Q. Bodart, A. Chauvet, S. Merlet, A. Landragin, FP + anciensPYRAMID : Q. Bodart, FP, P. Bouyer, A. Landragin=> MINIATOMGYRO : T. Lévèque, C. Garrido-Alzar, AL + anciensFORCA-G : Q. Beaufils, X. Wang, FP + Théorie SYRTE + LKB

Financements :

Collaborations : - Communauté des géophysiciens- Europe : FINAQS + Euroquasar + iSense- Espace : ICE + SAI

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