Mesures de précision avec un gyromètre-accéléromètre à atomes froids double axes

Precision measurements with a double axes cold atom gyroscope-accelerometer

• Auteur / Autrice : Romain Gautier
• Direction : Arnaud Landragin, Remi Geiger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jakob Reichel, Benoît Darquié
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rémy Battesti, David Clément

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes froids

Spectroscopie Raman

Interférométrie atomique

Gyroscopes

Accéléromètres

Mots clés libres

Gyromètre

Atomes froids

Effet Sagnac

Interférométrie atomique

Capteur inertiel

Métrologie

Gyroscope

Cold atom

Effet Sagnac

Atom interferometry

Metrology

Résumé

Ce manuscrit présente des résultats expérimentaux d'un gyromètre à atomes froids de 11 cm2 d'aire physique, réalisant l’état de l’art des gyromètres à ondes de matière. L’installation du second axe de mesure dans le plan horizontal permet la mesure de deux composantes de la rotation, de manière séquentielle ou entrelacées. Changer l’orientation de l’expérience par rapport au nord a permis d’effectuer le meilleur test à ce jour de l’effet Sagnac pour des ondes de matière, qui est trouvé en accord avec la valeur attendue au niveau de 20 ppm.Par ailleurs, nous avons proposé et étudié l’intérêt d’ajuster de façon contrôlée le transfert d’impulsion lors des transitions Raman manipulant les paquets d’ondes atomiques dans le cas des interféromètres à boucles multiples. En empêchant la recombinaison des interféromètres parasites, cette étude a donné les conditions permettant de réaliser un gyromètre pur sans aucune sensibilité à l’accélération continue. Enfin, de nouvelles méthodes expérimentales ont permis d’améliorer la réjection du bruit de vibration mais aussi du bruit de rotation permettant un nouveau record de stabilité à 2x10-10 rad.s-1 à 6000 s, et notamment de par l’utilisation d’une séquence utilisant deux interféromètres entrelacés permettant de moyenner plus rapidement les vibrations. Bien que limitée dans notre configuration expérimentale, elle ouvre la possibilité d’atteindre la limite intrinsèque des capteurs inertiels à atomes froids, le bruit de projection quantique.

This manuscript presents experimental results of a cold atom gyroscope of 11 cm2 physical area, realizing the state of the art of matter wave gyroscopes. The installation of the second measurement axis in the horizontal plane allows the measurement of two components of the rotation, sequentially or interleaved.Changing the orientation of the experiment with respect to the north allowed us to perform the best test to date of the Sagnac effect for matter waves, which is found in agreement with the expected value at the level of 20 ppm.Furthermore, we have proposed and studied the interest to adjust in a controlled way the momentum transfer during Raman transitions manipulating atomic wave packets in the case of multi-loop interferometers. By preventing the recombination of spurious interferometers, this study has given the conditions to realize a pure gyroscope without any sensitivity to DC acceleration. Finally, new experimental methods have improved the rejection of the vibration noise but also of the rotation noise allowing a new stability record at 2x10-10 rad.s-1 at 6000 s, and in particular by using a sequence using two interleaved interferometers allowing to average the vibrations more efficiently. Although limited in our experimental configuration, it opens the possibility to reach the intrinsic limit of cold atom inertial sensors, the quantum projection noise.