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AQG : le gravimètre absolu quantique QueZaKo ?

Comment mesurer la gravité ? Tout le monde a en tête l’image du physicien Isaac Newton recevant une pomme sur la tête, lui inspirant l’origine de la loi de la gravitation universelle. Trois-cent-cinquante ans plus tard, le principe est resté et depuis les années 1970, la mesure absolue du champ de pesanteur est déterminée par le suivi de la chute d’un objet tombant dans le vide. Un interféromètre laser permet de suivre la position d’un rétro-réflecteur optique en chute libre tandis qu’une horloge atomique contrôlée par GPS permet de connaître le temps en tout point de la chute. Un tel instrument comme le gravimètre balistique Micro-g Lacoste FG5 permet de mesurer la valeur de g avec une précision de 2µGal (ou nm/s2), sachant que g vaut approximativement 981 000 000 μGal (ou nm/s2). A ce jour ce type d’instrument est le plus largement utilisé dans le monde pour mesurer la valeur absolue de g. L’un des deux instruments du parc de gravimétrie mobile de l’INSU est utilisé sur le terrain par Géosciences Montpellier.

En 1997, le prix Nobel de physique est décerné à S. Chu, W.D. Phillips et C. Cohen-Tannoudji (Professeur au collège de France) pour leurs travaux sur le refroidissement et la capture d’atome par laser. Dès lors, plusieurs équipes de recherche décident d’utiliser la chute des atomes de Rb pour mesurer l’accélération de la pesanteur et construire un gravimètre quantique. En France, des travaux de recherche menés à l’Observatoire de Paris conduisent à la réalisation de l’un des premiers gravimètres absolus de laboratoire utilisant l’interférométrie atomique pour déterminer g, avec un instrument opérationnel depuis 2008. Ces développements font l’objet d’un brevet entre l’Observatoire de Paris et l’Institut d’optique.
Parallèlement, le champ d’application des gravimètres absolus balistiques, initialement restreint à la détermination du géoïde, s’étend à la géophysique. Conçus initialement pour un usage en laboratoire, ces instruments sont maintenant utilisés sur le terrain pour le suivi temporel de g en sciences de la Terre et en hydrologie. Malheureusement, ces instruments sont de conception complexe et nécessitent une maintenance fréquente. Ils ne sont pas non plus compatibles avec un monitoring en continu et requièrent un opérateur dédié.

Pour répondre aux besoins des géophysiciens, le financement du développement d’un gravimètre absolu quantique de terrain a été obtenu dans le cadre de l’EquipEx RESIF-CORE. Cet instrument bénéficie d’un transfert de technologie du CNRS vers l’industrie par la société MuQuans, créée pour développer des instruments basés sur l’interférométrie atomique. Apportant leur connaissance de l’instrumentation existante et leurs besoins en matière de recherche, les géophysiciens ont dès 2012 contribué a la définition du cahier des charges techniques de l’instrument, et réalisé les premières comparaisons de cet instrument avec les meilleurs instruments existants (SR 2018). L’appareil commandé par l’INSU a été livré il y a quelques semaines : depuis la première "chute" d’atomes froids, trente ans auront été nécessaires pour mettre au point le premier instrument mondial commercialisé. Après une longue série de mesures sur l’observatoire hydro-géophysique du Larzac, les performances de cet instrument vont être évaluées sur différents sites d’observation, en France et à l’étranger.

Fin 2019, une version de terrain de l’AQG devrait être livrée par l’entreprise MuQuans, mais certains à GM voient encore plus loin et aimeraient embarquer un jour ce type d’instrument dans des ballons afin d’avoir une cartographie gravimétrique intermédiaire entre les mesures terrestres et spatiales.


Références :
- http://www.cnrs.fr/cnrsinnovation-lalettre/actus.php?numero=601
- V. Ménoret, P. Vermeulen, N. Le Moigne, S. Bonvalot, P. Bouyer, A. Landragin & B. Desruelle Gravity measurements below 10−9 g with a transportable absolute quantum gravimeter, Nature Scientific Reports, 2018, 8:12300, doi:10.1038/s41598-018-30608-1


Le bulletin du laboratoire Géosciences Montpellier n°16 - janvier/février 2019