Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont amélioré leur gyroscope atomique compact pour permettre des capacités de mesure multitâches et mesurer ses performances, étapes importantes vers des applications pratiques.

Décrit dans un nouvel article, les processus de conception et d'évaluation du gyroscope quantique ont été dirigés par trois femmes - une situation très inhabituelle en physique et une source de fierté pour la chef de projet Elizabeth Donley au NIST. Les chercheurs postdoctoraux Yun-Jhih Chen et Azure Hansen ont totalement reconstruit l'appareil au cours des deux dernières années.

"Non seulement nous avons construit un simple gyroscope quantique, mais c'est la première fois que quelqu'un démontre une mesure simultanée de la rotation, angle de rotation et accélération avec une seule source d'atomes, " Dit Donley. " D'autres gyroscopes, y compris les classiques actuellement utilisés dans les téléphones et les avions, ne peut mesurer qu'un seul axe de rotation. C'est également la première fois que nous signalons une sensibilité pour les mesures d'accélération et de rotation."

L'équipe du NIST avait précédemment mesuré la rotation avec une version antérieure du gyroscope quantique. L'appareil a été mis à niveau pour augmenter la force du signal et la vitesse d'acquisition des données afin de permettre des mesures de sensibilité compétitives. Les chercheurs ont également ajouté un algorithme de reconnaissance de formes dérivé de l'apprentissage automatique pour extraire automatiquement les informations des images des atomes.

Le gyroscope NIST est un interféromètre atomique, profitant du fait que les atomes peuvent agir à la fois comme des particules et des ondes. La rotation et l'accélération sont déduites d'images d'ondes de matière interférentes (qui montrent la probabilité de la position d'une particule dans l'espace) provenant d'atomes dans deux états d'énergie différents.

Les interféromètres atomiques pourraient être utilisés dans la navigation et la géodésie (l'étude de la forme de la Terre basée sur des mesures de la gravité) en raison de leur sensibilité à l'accélération et à la rotation combinée à leur stabilité et leur précision à long terme. Le développement des petits, poids léger, Les interféromètres atomiques de faible puissance sont essentiels pour déplacer les instruments du laboratoire vers les applications sur le terrain.

L'équipe du NIST a développé un schéma simplifié adapté aux applications portables en utilisant un seul, minuscule nuage d'atomes qui ne tombe que de quelques millimètres lors des mesures. Une chambre en verre de seulement 1 centimètre cube de volume contient environ 10 millions d'atomes de rubidium froid qui sont piégés et libérés.

Actuellement, une table d'optique pleine grandeur est nécessaire pour les lasers, et quelques racks d'électronique sont également nécessaires. La configuration laser devrait être rendue plus compacte et intégrée avant que le gyroscope puisse être utilisé sur le terrain, dit Donley. D'autres groupes de recherche réduisent la taille de ces systèmes laser, elle a ajouté.

Les sensibilités du gyroscope NIST pour l'amplitude et la direction des mesures de rotation sont de 0,033 degrés par seconde et 0,27 degrés avec un temps moyen d'une seconde, respectivement. Ces résultats se rapprochent des niveaux de sensibilité atteints par d'autres groupes de recherche utilisant des interféromètres atomiques beaucoup plus gros, dit Donley. De plus, le gyroscope du NIST est unique en ce qu'il peut mesurer des rotations le long de deux axes et une accélération le long d'un axe simultanément avec une seule source d'atomes.

Dans le gyroscope du NIST, lorsque les atomes sont d'abord piégés dans un nuage puis relâchés pour tomber sous l'effet de la gravité, un faisceau laser les fait passer entre deux états d'énergie. Ce processus implique l'absorption et l'émission de particules légères, ce qui donne de l'élan aux atomes et provoque la séparation de leurs ondes de matière et leur recombinaison ultérieure pour interférer. Lorsque les atomes accélèrent ou tournent, leurs ondes de matière se déplacent et interfèrent de manière prévisible, visible dans les images du nuage étendu.

Les atomes sont imagés en brillant une seconde, faisceau laser faible à travers le nuage. Parce que les atomes dans différents états d'énergie absorbent la lumière de différentes fréquences, les images montrent des bandes d'interférence de populations d'atomes dans les deux états différents. Le taux de rotation et l'axe de rotation sont mesurés en analysant l'espacement et la direction des bandes d'interférence à travers le nuage d'atomes. L'accélération est mesurée à partir des changements de position de la bande centrale. L'interféromètre est sensible à l'accélération suivant la direction du faisceau laser et sensible aux rotations perpendiculaires au faisceau.

L'instrument pourrait être utilisé comme un gyrocompas, parce que les atomes ressentent une rotation dans le plan tangent à la surface de la Terre. Les signaux de rotation, en raison de la rotation de la Terre, pointer vers le nord, comme c'est utile dans la navigation.