Ce prix du CNRS récompense en 2020 une innovation technologique qui a émergée au cours de recherches fondamentales sur le développement de références métrologiques dans le domaine de la gravimétrie. L’innovation a été transférée dans l’industrie par la création de la société Muquans qui commercialise désormais des instruments de mesure aux performances inégalées sur le marché mondial.

Au cours de recherches fondamentales reposant sur la manipulation d’atomes froids et leur application au développement de capteurs inertiels fondés sur l’interférométrie atomique, Arnaud Landragin, actuellement directeur du SYRTE (dont les tutelles sont l’Observatoire de Paris-PSL, le CNRS, Sorbonne Université et le LNE), a mis au point et testé une innovation technologique, avec l’appui de son équipe de recherche au LNE-SYRTE. L’innovation, récompensée par ce prix 2020 du CNRS porte sur la conception d’un capteur interférométrique à atomes froids qui n’emploie qu’une seule source laser pour générer tous les faisceaux nécessaires à sa mise en œuvre, permettant in fine de réduire les dimensions de l’instrument de mesure et d’augmenter ses performances métrologiques. Cette prouesse technologique a été brevetée en 2009 (P. Bouyer et A. Landragin, Brevet n° PCT/FR2009/000252) et a constitué le fondement de l’entreprise française Muquans créée en 2011.

Cette innovation est intimement liée aux travaux menés par le LNE-SYRTE pour la réalisation d’un gravimètre à atomes froids (CAG) de grande exactitude (Fig.1). C’est d’ailleurs dans une première version de ce dispositif expérimental qu’en a été réalisée la preuve du principe. Le développement du CAG avait été initié au début des années 2000 pour les besoins de mesure précise et locale du champ de pesanteur pour l’expérience de la balance de Kibble du Réseau national de la métrologie française, située sur le site du LNE à Trappes.

Depuis, un laboratoire de référence et d’étalonnage de gravimétrie a été créé sur ce site de Trappes. L’étalon national de gravimétrie est actuellement au meilleur niveau international, comme l’atteste les comparaisons internationales de gravimètres étalons réalisées. L’utilisation de techniques d’interférométrie atomique à atomes froids permet d’effectuer des mesures absolues de l’accélération due à la pesanteur avec une incertitude de 2×10–9 g (20 nms–2). Cet étalon permet de raccorder les mesures d’accélération due à la pesanteur au SI et de caractériser d’autres gravimètres, qu’ils soient absolus ou relatifs, comme par exemple les gravimètres atomiques commercialisés par la société Muquans, par comparaison directe dans le laboratoire national de gravimétrie à Trappes.

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Gravimètre à atomes froids (CAG) du LNE-SYRTE
Fig.1 - Gravimètre à atomes froids (CAG) du LNE-SYRTE (vue interne sans blindage magnétique), (crédit photo. OP/SYRTE).

Le transfert technologique vers l’industrie de cette innovation issue de recherches les plus fondamentales est aujourd’hui réussi, puisqu’en 2020, la société Muquans commercialise à l’échelle mondiale un instrument de mesure atomique de la gravité, aux performances qui dépassent celles des gravimètres à coin de cube largement utilisés jusqu’à présent. Ce gravimètre absolu (Fig.2), AQG (Absolute Quantum Gravimeter), est un capteur quantique ultrasensible qui présente notamment les avantages de s’affranchir des vibrations environnantes, d’être compact et transportable. La première comparaison entre deux gravimètres atomiques a été réalisée en 2015 entre le CAG du LNE-SYRTE et l’AQG de Muquans.

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Gravimètre quantique absolu (AQG) commercialisé par la société Muquans
Fig.2 - Gravimètre quantique absolu (AQG) commercialisé par la société Muquans, (crédit photo. Muquans).

Le développement du gravimètre étalon CAG constitue une partie des travaux menés par l’équipe « Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels » du SYRTE. D’autres projets de recherche positionnent le laboratoire au rang des équipes ayant des résultats au meilleur niveau à l’échelle mondiale dans le domaine de l’interférométrie atomique et du développement de capteurs à atomes froids. Et tout récemment, l’équipe vient de publier une revue des travaux réalisés depuis une trentaine d’années pour développer des capteurs inertiels et des gravimètres (High-accuracy inertial measurements with cold-atom sensors, dans AVS Quantum Science, https://doi.org/10.1116/5.0009093), qui montre bien l’accélération des progrès réalisés ces dix dernières années ainsi que les perspectives nombreuses encore ouvertes, grâce à l’amélioration des performances des capteurs et leur utilisation dans de nouveaux champs d’applications.

 

Médaille de l’innovation du CNRS en 2020 : Arnaud Landragin

Laboratoire national de métrologie pour le domaine temps – fréquence : LNE-SYRTE

Fabricant français d’instruments de mesure de haute précision (capteurs inertiels, horloges, lasers...) : Muquans