Une étude, dont les résultats intitulés «Interleaved atom interferometry for high-sensitivity inertial measurements» ont été publiés dans la revue Science Advances, a permis de valider une méthode qui dépasse l’état de l’art des gyromètres atomiques et représente une étape clé pour les applications en navigation inertielle, en géoscience et en physique fondamentale.

Notons tout d'abord que «la sensibilité d’un dispositif de mesure s’améliore généralement avec le temps durant lequel on peut observer l’objet au cœur du dispositif», un principe, qui «s’illustre notamment lorsque l’on réalise une mesure de fréquence dans une horloge atomique, où la sensibilité croît proportionnellement au temps durant lequel les atomes évoluent librement entre deux impulsions électromagnétiques micro-onde».

Concrètement, «les meilleures fontaines atomiques utilisent un temps d’observation (appelé temps 'd’interrogation') de l’ordre de la seconde». C'est sur le même principe que fonctionnent «les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique et mesurant des accélérations ou des rotations». Plus précisément, «afin d’interroger des atomes sur une durée de l’ordre de la seconde», il faut «ralentir leur agitation thermique, c’est-à-dire de les refroidir».

L’intérêt majeur des dispositifs atomiques modernes, qui utilisent «des atomes refroidis par laser à des températures de l’ordre du millionième de degré au-dessus du zéro absolu», réside «dans leur grande stabilité, qui est intrinsèquement lié à la nature quantique de l’interaction entre un atome et les lasers». Cependant, «bien que très stables», ces dispositifs à atomes froids présentent l'inconvénient important d'avoir «leur cadence de mesure limitée».

Cet inconvénient découle «du fonctionnement séquentiel des capteurs, dans lesquels les atomes sont refroidis par laser durant quelques centaines de millisecondes, puis interrogés durant environ une seconde, avant d’entamer un nouveau cycle de mesure». Alors que, jusqu'ici, l'augmentation de la cadence ne se faisait «qu’en diminuant le temps d’interrogation, d’où une diminution de la sensibilité», Ce verrou vient d’être levé grâce à l'étude ici présentée.

Elle y est parvenue en mettant en œuvre «une idée consistant à entrelacer la phase de refroidissement et la phase de mesure des effets inertiels, et à entrelacer plusieurs cycles expérimentaux entre eux». Ainsi, «en entrelaçant 3 cycles», des cadences de mesure de 3,75 Hz ont été obtenues «tout en conservant un temps d’interrogation de 0,8 seconde». L’échantillonnage rapide issu de cette technique «a permis d’améliorer la sensibilité de mesure de vitesse de rotation» du capteur en question, «une condition essentielle pour caractériser et stabiliser les biais de l’instrument».

En pratique, «le dispositif expérimental du SYRTE utilise des impulsions lasers pour créer une superposition quantique dans laquelle chaque atome de Césium est délocalisé entre deux paquets d’ondes distants de quelques millimètres». Ce type de superposition quantique macroscopique «confère une très grande sensibilité aux forces inertielles dont la méthode d’entrelacement permet de tirer pleinement profit».

Ainsi, le gyromètre du SYRTE peut «mesurer des variations infimes de vitesse de rotation, deux cent mille fois plus petites que la vitesse de rotation terrestre moyenne, en 8 heures de mesure, ce qui constitue le nouvel état de l’art pour un gyromètre atomique».

Au bout du compte, cette étude ouvre «des perspectives d’applications dans différents domaines technologiques et scientifiques». Par exemple, «la grande stabilité de mesure du gyromètre à atomes froids permet d’envisager une évolution des dispositifs de guidage inertiel, en combinant la technologie actuelle des gyromètres laser offrant une grande dynamique de mesure avec la technologie atomique».

De plus, «disposer de bonnes cadences de mesure (plusieurs Hz) et d’une grande sensibilité pourrait être mis à profit en sismologie pour l’étude de mouvements tectoniques» et ces propriétés «pourraient également être utiles en physique fondamentale pour la détection de matière noire, ou pour réaliser des détecteurs d’ondes gravitationnelles utilisant l’interférométrie atomique».