Refroidissement des atomes - Horloges et senseurs inertiels

Depuis les années 1980, le domaine du refroidissement d’atomes par laser a pris une importance considérable et a entraîné, outre l’attribution du prix Nobel en 1998 à C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips et S. Chu, l’essor d’un nouveau domaine : l’optique et l’interférométrie atomiques. Dès 1990, on a vu apparaître un grand nombre d’expériences de principe montrant que l’optique atomique était une réalité présentant un fort potentiel, tant pour la physique fondamentale que pour les applications.

Tout particulièrement, outre les horloges atomiques à atomes froids, deux domaines supplémentaires d’applications semblaient particulièrement prometteurs. D’un côté, un nombre important de laboratoires se consacrait à la réalisation d’éléments de base de l’optique atomique, avec une mention spéciale pour les miroirs à atomes et les structures diffractives (voir les numéros spéciaux particulièrement consacrés à cette thématique comme « Journal of the Optical Society of America B » [1] ou « Special Issue on Atom Optics of Appl. Phys. B » [2] qui offre un recueil des publications des meilleurs groupes de recherche dans le monde). La possibilité de diriger et surtout de focaliser un faisceau d’atomes ouvrait alors la voie à une application potentiellement spectaculaire : la lithographie atomique. Dans ce domaine particulier, l’idée était d’utiliser une figure d’interférence optique pour exercer des forces très localisées sur les atomes et ainsi reproduire la figure optique sur le faisceau atomique.

Le domaine particulier de l’interférométrie atomique a lui aussi évolué rapidement. Après les premières démonstrations, le domaine s’orientait vers l’exploration de nouveaux types d’interféromètres. La sensibilité extrême de ces appareils permettait d’utiliser ces interféromètres pour mettre en évidence des effets spectroscopiques, des effets spécifiques à l’évolution des ondes de matière, ou à la mesure de constantes fondamentales.

Mais c’est une autre application qui se révèle très prometteuse pour l’avenir : les senseurs inertiels atomiques [3].

Un autre événement important est ensuite venu révolutionner le domaine de l’optique et de l’interférométrie atomiques. En effet, l’année 1995 a vu le succès de la réalisation de condensats de Bose-Einstein à partir d’un gaz dilué qui a été célébré par le prix Nobel de E. Cornell, W. Ketterle et C. Weiman en 2001. Un tel condensat est obtenu lorsqu’un nuage de bosons à faible densité est refroidi à une température telle que la longueur d’onde de De Broglie thermique est de l’ordre de la distance interatomique. Dans un tel état, tous les atomes sont dans le même mode quantique (un tel phénomène avait déjà été observé dans les superfluides et les supraconducteurs mais jamais dans les gaz dilués). On peut donc aujourd’hui utiliser dans les interféromètres atomiques une source cohérente d’ondes atomiques, analogue au laser qui est une source cohérente d’ondes électromagnétiques [4].