La gravimétrie mobile est une technique importante en métrologie, la navigation, géodésie et géophysique. Bien que les gravimètres atomiques soient actuellement utilisés pour la précision, ils sont contraints par la fragilité et la complexité instrumentales. Dans une nouvelle étude, Xuejian Wu et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de physique, le US Geological Survey, biophysique moléculaire et bio-imagerie intégrée, a démontré un gravimètre atomique mobile. L'appareil a mesuré les variations de la gravité des marées en laboratoire et a étudié la gravité sur le terrain.

Ils ont utilisé l'équipement pour obtenir une haute sensibilité pour les mesures de la gravité des marées avec une stabilité à long terme pour révéler les effets de la charge des marées océaniques, ainsi que plusieurs tremblements de terre lointains. L'équipe de recherche a étudié la gravité dans les collines de Berkeley pour déterminer la densité des roches souterraines à partir du gradient de gravité vertical. L'instrument simple et sensible développé dans le cadre de l'étude ouvrira la voie à l'application des gravimètres atomiques sur le terrain. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .

Les physiciens utilisent généralement des interféromètres atomiques à impulsion lumineuse pour mesurer les forces d'inertie, parallèlement à des études visant à comprendre les forces sous-gravitationnelles sur les atomes. Les gravimètres basés sur l'interférométrie atomique sont parmi les outils les plus précis et les plus sensibles pour mesurer avec précision la gravité, contrairement aux instruments existants à base de ressorts, bobines supraconductrices, dispositifs micromécaniques ou cubes de coin tombant. Les gravimètres atomiques reposent sur des mesures d'interférométrie à ondes de matière avec un nuage atomique en chute libre. Dans son mécanisme d'action, les scientifiques peuvent diriger les ondes de matière dans deux bras interférométriques en utilisant la quantité de mouvement des photons qui sont extrêmement bien définies par la longueur d'onde du laser intégré.

Les chercheurs conçoivent actuellement des gravimètres atomiques transportables pour des applications en métrologie, détection aérienne, levés embarqués et applications sur le terrain. Ces instruments atteignent généralement des sensibilités d'environ 5 à 100 µGalileo (µGal) en laboratoire, tandis que le gravimètre atomique dans les levés gravimétriques n'avait atteint qu'une précision d'environ 1 mGal sur un navire marin. La gravimétrie mobile précise est donc précieuse pour les mesures gravimétriques avec une incertitude de quelques microGalileos en métrologie. Par exemple, pour aider la navigation maritime inertielle, Les cartes de référence gravimétriques nécessitent des gravimètres avec une précision d'au moins miliGalileo à bord. Par conséquent, les gravimètres atomiques doivent être à la fois sensibles et mobiles pour des applications fiables sur le terrain.

Dans le travail present, Wu et al. a fait la démonstration d'un gravimètre atomique mobile en laboratoire et pendant les opérations sur le terrain. L'équipe de recherche a comparé la gravité mesurée dans les expériences avec un modèle de marée terrestre solide pour indiquer sa sensibilité atomique. Sur la base de la sensibilité instrumentale Wu et al. observé les effets de charge des marées océaniques et mesuré les ondes sismiques de tremblements de terre lointains. L'équipe de recherche a ensuite mis en œuvre des levés gravimétriques à Berkeley Hills à l'aide de l'instrument. Le gravimètre atomique peut être utilisé pour des études géodésiques et géophysiques pour affiner le géoïde lors de l'exploration des ressources, études hydrologiques et surveillance des risques pour des mesures précises sur le terrain à l'avenir.

Wu et al. a conçu le gravimètre atomique mobile sur un interféromètre atomique doté d'un piège magnéto-optique (MOT) à l'intérieur d'un miroir pyramidal avec un trou traversant. Cette nouvelle géométrie offrait de nombreux avantages; en formant d'abord un étage de pompage différentiel entre les régions MOT et d'interférométrie atomique, avec un rapport de pression de vapeur de plus de 10:1 pour accélérer la vitesse de chargement des atomes et réduire le bruit de fond pour la détection des atomes. La configuration a permis aux faisceaux laser du MOT et de l'interféromètre d'avoir des tailles différentes pour obtenir un volume MOT important et une intensité de faisceau Raman élevée avec la puissance laser disponible. Comme troisième caractéristique, l'équipe de recherche a permis au gravimètre atomique de profiter de la rétroréflexion à partir d'un miroir isolé des vibrations insensible aux vibrations du miroir pyramidal. L'isolation des vibrations était plus simple et efficace par rapport aux gravimètres atomiques pyramidaux traditionnels. Pour son quatrième long métrage, Wu et al. utilisé un miroir plat comme rétroréflecteur pour éliminer les effets systématiques des imperfections de la configuration pyramidale.

L'équipe a effectué une interférométrie atomique sous le miroir pyramidal en utilisant des transitions Raman à deux photons sensibles au Doppler pilotées par deux faisceaux laser et une géométrie de Mach-Zehnder. Puisque les atomes se sont déplacés en chute libre, les scientifiques ont augmenté la différence de fréquence laser entre les deux faisceaux avec un taux de , qu'ils variaient pour obtenir une accélération dans le système. Ils ont utilisé une seule diode laser avec trois modulateurs acousto-optiques (AOM) et un modulateur de phase électro-optique (EOM) à base de fibre, générer tous les faisceaux laser nécessaires au MOT, pendant les procédures d'interférométrie et de détection de l'étude.

Les scientifiques ont mesuré la variation de la gravité des marées à long terme pendant 12 jours à l'aide du gravimètre atomique. Ils ont ensuite fait fonctionner l'interféromètre atomique avec isolation vibratoire active et obtenu des valeurs moyennes des données de gravité toutes les 2 heures, par rapport à un modèle de marée terrestre solide. Étant donné que le laboratoire de recherche était situé à environ 4,5 km à l'est de la baie de San Francisco, l'effet de la charge de marée océanique sur la gravité était notable à l'emplacement précis contrairement aux rapports précédents. Les chercheurs ont corrigé la marée terrestre solide et obtenu une sensibilité de 37 µGal/√Hz pour le gravimètre atomique avec une stabilité supérieure à 2 µGal en une demi-heure. Lors des mesures de la gravité des marées, le gravimètre atomique pourrait enregistrer les trains d'ondes sismiques de plusieurs tremblements de terre distants pour mesurer l'accélération verticale des ondes sismiques. Wu et al. a comparé le gravimètre atomique avec l'un des sismomètres du Berkeley Digital Seismic Network. Par exemple, lorsqu'un séisme de magnitude 6,8 et de 570 km de profondeur s'est produit au Brésil le 5 janvier, 2019, le gravimètre atomique et le sismomètre ont détecté les ondes corporelles du tremblement de terre après environ 20 minutes. L'équipe de Berkeley a également détecté des mesures le 6 janvier 2019, lorsqu'un séisme de magnitude 6,6 et de 43 km de profondeur s'est produit en Indonésie.

Pour étudier la précision du gravimètre atomique, l'équipe de recherche a estimé les effets systématiques. Ils ont calculé l'erreur systématique totale à 0,015 mGal avec un biais de mesure d'environ -0,008 mGal. Les chercheurs ont vérifié la répétabilité de l'expérience en interne après avoir transporté le gravimètre atomique au Campbell Hall du campus de l'Université de Californie à Berkeley, mesurer la gravité sur différents étages, avec gravité au sous-sol comme référence. Les valeurs correspondaient à celles calculées à l'aide des techniques de levé gravimétrique standard. En fonction du bruit de vibration, le gravimètre atomique atteint une sensibilité d'environ 0,2 mGal/√Hz. Cependant, la sensibilité aux étages supérieurs a diminué en raison de vibrations plus fortes. Les résultats ont indiqué l'effet gravitationnel de la masse du bâtiment Campbell.

Après, l'équipe a utilisé le gravimètre atomique sur le terrain pour étudier la gravité absolue dans les collines de Berkeley. Ils ont fait fonctionner le gravimètre à l'intérieur d'un véhicule sur une longueur de parcours de 7,6 km et un dénivelé de 400 m, tout en utilisant l'isolation passive des vibrations pour mesurer la gravité à 6 endroits. L'équipe a passé environ 15 minutes à installer le gravimètre à chaque emplacement, qui comprenait l'appariement de l'instrument et l'alignement du faisceau de l'interféromètre sur l'axe de gravité. En raison de l'augmentation du bruit vibratoire sur le terrain, Wu et al. mesuré la sensibilité du gravimètre à 0,5 mGal//√Hz. Au total, les mesures ont montré des changements de gravité approximatifs de 92,6 mGal, de la base au sommet des Berkeley Hills.

De cette façon, Xuejian Wu et ses collègues ont développé un gravimètre atomique mobile pour effectuer des mesures de la gravité des marées et des levés gravimétriques. Le nouvel instrument MOT pyramidal a tiré parti de l'interférométrie atomique à faisceau unique pour offrir un alignement laser-gravité simple et une isolation vibratoire améliorée. L'appareil est mobile, compact et robuste pour le transport sur le terrain, tout en maintenant une sensibilité comparativement plus élevée aux gravimètres atomiques existants. Les fonctionnalités permettent des applications géodésiques et géophysiques pour une gravimétrie mobile précise en laboratoire et sur le terrain. L'instrument est actuellement limité par le bruit vibratoire et peut être amélioré. Les gravimètres avancés trouveront des applications supplémentaires en tant que détecteurs de tunnel, capteurs pour le stockage des eaux souterraines et surveiller les tremblements de terre et l'activité volcanique.

© 2019 Réseau Science X