A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Pour mesurer le monde avec une précision extrême, les scientifiques se tournent souvent vers les atomes. En refroidissant des nuages d'atomes jusqu'à ce qu'ils se déplacent presque aussi lentement qu'une feuille dérivante, les chercheurs peuvent les traiter comme des ondes de lumière. Ces ondes de matière peuvent être divisées, envoyées le long de différents chemins, puis recombinées pour révéler les plus infimes changements de gravité, de rotation ou de temps. La clé de ce processus est la lumière laser utilisée pour pousser les atomes. Pour obtenir les mesures les plus sensibles, les scientifiques doivent pousser ces atomes avec un faisceau de lumière fort et uniforme qui couvre une large zone. Cependant, créer un tel faisceau est difficile car la lumière a tendance à s'étaler et à perdre de sa force avec la distance. Pour résoudre ce problème, les scientifiques utilisent des cavités optiques, qui sont essentiellement des miroirs qui piègent la lumière et la font rebondir d'avant en arrière pour augmenter l'intensité. Bien que ces cavités soient puissantes, elles fonctionnent généralement mieux avec des faisceaux très spécifiques et étroits, ce qui les rend mal adaptées aux larges nuages d'atomes nécessaires pour les expériences les plus sensibles.

Une équipe de chercheurs a trouvé une manière ingénieuse de transformer un défaut majeur de ces cavités à large faisceau en un outil utile. Dans leur expérience, ils ont utilisé un type spécial de configuration de miroirs appelé résonateur marginalement stable. Bien que ces configurations puissent supporter de larges faisceaux, elles souffrent d'une particularité : les imperfections des miroirs et de l'alignement font que la lumière à l'intérieur forme une série d'anneaux plutôt qu'un seul point solide. De plus, la taille de ces anneaux change en fonction de la couleur exacte, ou fréquence, de la lumière laser utilisée. Par le passé, ce comportement était considéré comme un problème limitant la quantité de nuage atomique pouvant être utilisée. Les chercheurs ont réalisé qu'au lieu de lutter contre cet effet, ils pouvaient l'exploiter. En balayant rapidement la fréquence du laser sur une gamme de valeurs, ils pouvaient faire croître et rétrécir l'anneau lumineux brillant, balayant ainsi efficacement l'ensemble du nuage d'atomes.

L'équipe a testé cette idée en utilisant un nuage d'atomes de rubidium refroidi à une température de seulement 2,5 microkelvins. Ils ont lancé ce nuage verticalement dans les airs et ont attendu qu'il atteigne le sommet de son vol, là où il se déplace très lentement. À ce moment-là, ils ont tiré une impulsion laser pour diviser et recombiner les ondes atomiques. Dans une configuration traditionnelle où la fréquence du laser est maintenue constante, la lumière n'interagirait efficacement qu'avec une infime fraction des atomes au centre du nuage, laissant le reste intact. Cela entraînait une efficacité très faible, avec seulement environ 5 % des atomes transférés avec succès vers l'état souhaité. En revanche, lorsque les chercheurs ont balayé la fréquence du laser à travers la résonance tout en ajustant soigneusement la luminosité du faisceau, l'interaction est devenue uniforme. L'anneau de lumière mobile a balayé toute la largeur de 15,6 millimètres du nuage d'atomes, garantissant que chaque partie du nuage reçoive la même poussée.

Ce simple changement de stratégie a produit une amélioration spectaculaire. L'efficacité du transfert des atomes vers le nouvel état est passée de 5 % à 28 %. Il s'agit d'un gain significatif, surtout compte tenu du fait que le nuage était beaucoup plus large que la taille naturelle du faisceau lumineux à l'intérieur de la cavité. Les chercheurs ont pu y parvenir en compensant le fait que la lumière est naturellement plus faible aux bords de la cavité ; ils ont façonné l'impulsion de sorte que les atomes à la périphérie reçoivent autant d'énergie que ceux du centre. Le résultat est une région d'interaction presque uniforme qui couvre l'ensemble du nuage, ce qui était impossible avec un faisceau laser statique.

Au-delà du simple fait de déplacer les atomes plus efficacement, l'équipe a démontré que cette méthode de balayage préserve les propriétés quantiques délicates requises pour l'interférométrie. Ils ont construit un interféromètre à trois impulsions, un dispositif qui divise les ondes atomiques, les laisse voyager pendant un court instant, puis les réunit pour mesurer la différence entre leurs trajectoires. En utilisant leurs impulsions modulées, ou à fréquence balayée, ils ont réussi à créer une figure d'interférence, qui est le signal prouvant que les atomes agissent comme des ondes cohérentes. Le signal a montré un contraste de 24 %, indiquant que les atomes restent en phase les uns avec les autres tout au long du processus. Cela prouve que la technique de balayage ne brouille pas l'information quantique, même si la lumière est en mouvement et change de forme pendant l'interaction.

Les chercheurs ont noté que le signal s'affaiblissait légèrement à mesure que le temps entre les impulsions augmentait, probablement en raison de minuscules vibrations de l'équipement qui déplaçaient les miroirs les uns par rapport aux autres. Cependant, ils sont convaincus que ces problèmes peuvent être gérés avec une meilleure stabilisation. Ce travail établit que l'excitation dynamique de ces cavités spéciales est une voie viable pour construire des interféromètres atomiques à grande surface. En transformant une imperfection spatiale en une ressource de balayage, l'équipe a ouvert la porte à l'utilisation de ces puissants pièges à lumière pour des mesures beaucoup plus vastes et sensibles que ce que l'on pensait possible auparavant. Cette approche pourrait éventuellement mener à de nouveaux outils pour cartographier la gravité de la Terre ou tester les lois fondamentales de la physique avec une clarté sans précédent.