20 Septembre 2011

Vers des accéléromètres de plus grande précision

Pour la première fois, une équipe de physiciens français soutenue par le CNES et l’ESA, a réussi à mettre au point un accéléromètre atomique 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 atomiques 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 Zéro-G » de la société Novespace, qui décrit des paraboles dans le ciel pour reproduire la microgravité, relevait donc de la gageure.

Une précision plusieurs centaines de fois supérieure aux autres accéléromètres

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. Ils ont ainsi mesuré 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. Et qu’une pomme et une goutte d’eau subissent la même accélération en tombant.

Références de l'article

Detecting inertial effects with airbone matter wave accelerometry, R. Geiger12, V. Ménoret1, G. Stern123, N. Zahzam4, P. Cheinet1, B. Battelier13, A. Villing1, F. Moron1, M. Lours3, Y. Bidel4, A. Bresson3, A. Landragin3 & P. Bouyer1,5, Nature Communications, 20 septembre 2011

1 Laboratoire Charles Fabry
2 Centre National d'Etudes Spatiales
3 LNE-SYRTE
4 ONERA
5 Laboratoire Photonique Numérique et Nanosciences

Contacts

  • Contacts scientifiques : Philippe Bouyer du Laboratoire Charles Fabry Institut d'Optique
  • Responsable de la thématique astrophysique : Sylvie Léon