Interféromètre atomique quantique pour la détection de mouvement de précision

L’état actuel de l’art de la détection de mouvement embarquée est basé sur des dispositifs de systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Ces miracles de microfabrication utilisent de minuscules structures en silicium, configurées pour détecter l’accélération et la position de rotation en trois dimensions. Accumulez ces accélérations et rotations, et vous obtenez un appareil qui peut trouver son orientation et suivre ses mouvements sans aucun point de cheminement externe.

Pourquoi nous soucions-nous de l’estime de toute façon ? Le GPS et les systèmes de positionnement associés sont-ils vraiment suffisants ? Le GPS au-dessus du sol est généralement assez bon, mais sous l’eau et sous terre, cela ne fonctionnera tout simplement pas. Même aller à l’intérieur a un effet dramatique sur la force du signal GPS, donc oui, nous avons besoin d’un autre moyen pour certaines applications.

À l’heure actuelle, l’état actuel de l’art en matière de capteurs portables est constitué de dispositifs MEMS, et vous pouvez les obtenir pour le prix d’un hamburger. Mais si vous voulez une précision ultime, vous aurez besoin d’un interféromètre atomique quantique. Qu’est-ce que c’est, et comment il sera possible d’en faire un assez petit pour être utile, c’est la moitié de l’histoire. Mais d’abord, parlons MEMS.

Fusion des capteurs

Compte tenu d’une position initiale et des accélérations accumulées en 3D, il est possible de suivre la position, au moins pendant un court instant. Selon ce rapport (obsolète) de l’Université de Cambridge sur les systèmes de navigation inertielle, avec un système de suivi inertiel basé sur MEMS, l’erreur de position peut dépasser 150 mètres en moins d’une minute, car les erreurs ne se calculent pas en moyenne, elles s’accumulent.

Des améliorations peuvent être apportées en fusionnant les données d’autres capteurs dans le modèle de navigation. Tout dépend de l’endroit où vous vous trouvez ; ici sur terre, de telles entrées de données supplémentaires pourraient être extraites d’un magnétomètre, ainsi que d’un altimètre. Il a été démontré que l’ajout des seules données du magnétomètre peut réduire cette erreur de 150 mètres à seulement 5 mètres. L’étude date de quelques années, mais nous nous attendons à ce qu’elle soit à peu près correcte, car les progrès de la technologie MEMS ne se sont pas beaucoup améliorés.

Vous voulez voir à quel point la navigation inertielle est bonne ou mauvaise dans la vraie vie ? Un appareil fantastique pour faire tout ce truc de fusion multi-capteurs compliqué est le Bosch BNO055, pour lequel Adafruit a gentiment ajouté un module. Vous voudrez peut-être revoir les quaternions avant de le faire, bien entendu.

Toutes ces mesures présenteront une erreur, qui aura une distribution statistique particulière. Une technique pour atténuer cette erreur consiste à utiliser le filtrage de Kalman, qui est largement utilisé par les systèmes de navigation inertielle. Un filtre de Kalman permet une meilleure compréhension des inconnues dans un modèle, et s’ajuste essentiellement au fil du temps, pour permettre plus d’influence des points de mesure avec le moins d’incertitude. Le résultat est, espérons-le, une meilleure correction de position et une idée de la direction vers laquelle vous pointez actuellement. Mais, vous ne pouvez toujours pas vous en sortir longtemps, l’erreur est toujours là et elle s’accumulera toujours avec suffisamment de temps. Les recherches actuelles semblent suggérer un chiffre d’erreur d’environ 5% de la distance totale parcourue, dans le meilleur des cas. À plus long terme, la navigation inertielle sous-métrique est l’objectif, et nous n’en sommes pas encore là.

Capteurs MEMS : sources d’erreur

Un gyroscope MEMS utilise une masse résonante à l’intérieur d’un cadre isolé

Le gyroscope MEMS est un dispositif dynamique, en ce sens qu’il se compose d’une minuscule structure vibrante qui détecte la vitesse de rotation angulaire en tirant parti de l’effet Coriolis. Un décalage mécanique est induit orthogonalement à la direction de vibration, qui est détecté comme un petit changement de capacité.

Les capteurs gyroscopiques présentent généralement deux types principaux d’erreurs ; un biais de taux et une erreur de marche aléatoire d’angle, cette dernière est due au bruit blanc thermomécanique et au bruit de scintillement dans l’électronique de la chaîne de signal. L’erreur de marche aléatoire augmente avec le temps, ce qui contribue principalement à l’erreur d’orientation absolue globale. Le biais de taux peut cependant être mesuré à long terme et largement annulé. Il existe d’autres effets dits d’étalonnage qui affectent la stabilité et contribueront également à des termes d’erreur plus difficiles à compenser.

Un accéléromètre MEMS est beaucoup plus simple

L’accéléromètre MEMS a une structure plus statique et est essentiellement un élément à ressort qui dévie dans un axe en raison de l’accélération. Ce décalage mécanique est également perçu comme un petit changement de capacité. Encore une fois, nous avons les mêmes deux principales sources d’erreur ; erreur de biais d’accélération et erreur de marche aléatoire de vitesse. L’erreur de polarisation est maintenant plus compliquée, car sur cette planète, nous avons la gravité, et afin d’annuler l’erreur de polarisation, nous devons connaître l’orientation du capteur. Heureusement avec un système de fusion multi-capteurs, l’orientation peut être mesurée et ce biais peut être compensé. L’erreur de marche aléatoire en vitesse est à nouveau due à des effets thermomécaniques et s’accumule avec le temps. De plus, comme pour le gyroscope, il existe des facteurs d’erreur supplémentaires qui aggravent le problème.

Les autres capteurs utilisés pour les systèmes de navigation inertielle auront tous leurs propres sources d’erreur, et ajouteront à la complexité du problème. Il existe des gyroscopes optiques, par exemple le gyroscope à anneau laser, et des dispositifs plus ésotériques, mais ceux-ci ne sont pas nécessairement faciles à réaliser vraiment petits. Par exemple, le gyroscope laser annulaire est d’autant moins précis que vous le réduisez en raison de la limite de la longueur maximale du trajet du faisceau. C’est pourquoi les recherches actuelles adoptent une approche très différente de ce type de détection ; à savoir l’interféromètre atomique.

Interférométrie atomique

En 1924, le physicien français Louis de Broglie a proposé que la matière se comporte comme une onde, avec une longueur d’onde égale à la constante de Planck divisée par sa quantité de mouvement. Cela signifiait que tout comme la lumière, les ondes de matière peuvent être diffractées et produire des motifs d’interférence. Dans ce cas, les ondes de matière sont manipulées avec des lasers, ce qui nous amène à la partie amusante. Rappelez-vous cependant que contrairement à la lumière, les atomes sont massifs et que la gravité a une influence, comme nous le verrons.

Six faisceaux laser orthogonaux qui se croisent et une paire de bobines anti-Helmholtz provenant d’un piège magnéto-optique

La plupart des expériences d’interféromètre atomique semblent fonctionner de la même manière, en ce sens qu’elles dépendent toutes d’un récipient sous vide poussé et utilisent un piège magnéto-optique pour refroidir et ralentir un flux d’atomes de rubidium produit à partir d’une source. Cet appareil utilise six faisceaux laser croisés à polarisation circulaire, dirigés vers le centre de l’appareil, avec une paire de bobines anti-Helmholtz en haut et en bas.

Une bobine de Helmholtz est configurée pour générer un champ magnétique uniforme, en utilisant une seule paire de bobines, avec un courant circulant dans la même direction. La bobine anti-Helmholtz (alias bobine à gradient de Maxwell) retourne simplement l’une des bobines pour produire un gradient de champ magnétique, avec un champ zéro au centre. Exactement ce dont nous avons besoin pour piéger ces petits atomes embêtants.

Les photons des lasers de confinement donnent un petit coup de fouet aux atomes, et en raison de l’effet Zeeman, le champ magnétique spécialement formé garantit que les atomes sont plus susceptibles d’être repoussés vers le zéro optique au centre du piège. En moyenne, les atomes du centre du piège ralentissent suffisamment pour atteindre des températures de quelques micro-kelvin. Ce qui est gaiement froid.

Le prochain bit est où les choses deviennent un peu bizarres. Le piège est éteint et immédiatement chacun des atomes convenablement glacés est frappé par une impulsion laser spécialement préparée, formée par une paire de lasers opposés, des transitions Raman ou Bragg sont effectuées, selon les propriétés des impulsions laser. Les atomes sont forcés dans une superposition quantique d’être à la fois touchés et non touchés par l’impulsion. Cela amène les atomes à changer de quantité de mouvement et d’état. (Et non, en même temps, c’est une superposition d’états, n’est-ce pas ?) Le nuage d’atomes diverge et, selon le mouvement de la cellule, interfère avec lui-même lorsqu’il s’étend à partir du centre du piège.

Lorsqu’un laser de faible puissance éclaire le nuage d’atomes, la superposition s’effondre et le motif d’interférence est observé sur un CCD convenablement placé. En décodant ce modèle, il est possible de déduire la vitesse angulaire ainsi que l’accélération, avec une précision incroyable qui ouvrira de nouvelles applications à la fois sur Terre et au-delà. La NASA est intéressée par un. Pour plus de détails sur l’interférométrie atomique, consultez cette introduction de Berkeley Physics.

Praticité

Tout cela est de peu d’utilité en tant qu’appareil de navigation si vous ne pouvez pas le sortir du laboratoire et le réduire en taille, le rendre fiable et le rendre bon marché. Cela semble facile, n’est-ce pas ? Examinons les exigences d’un gyroscope atomique : vous avez besoin d’un récipient sous pression avec des fenêtres optiquement pures, généralement en saphir, qui peut maintenir une pression inférieure à 10-sept torr avec une très faible contamination. Vous avez également besoin des lasers eux-mêmes, avec les filtres associés et l’électronique de contrôle. Toutes ces choses peuvent être miniaturisées, même jusqu’à la taille d’une puce, mais maintenir ce vide est un grand défi. La façon habituelle de descendre à une pression de vide aussi faible est d’utiliser une pompe turbomoléculaire, en combinaison avec une pompe ionique. Les rendre plus petits s’est avéré problématique.

Un ensemble de vide pompé passif

Il est maintenant possible de supprimer le besoin de ce système de vide complexe et encombrant. Une équipe de Sandia National Laboratories et de l’Université de l’Oklahoma a développé une technique permettant d’obtenir le vide ultra-élevé (UHV) nécessaire aux applications de gyroscope atomique à guidage inertiel, sans avoir besoin de pompes turbo, de pompes ioniques ou de pompes du tout. OK, ce dernier point n’est pas strictement vrai, car ils devaient d’abord obtenir le vide au niveau souhaité et les techniques standard étaient nécessaires pour cela, mais une fois les conditions initiales atteintes, le récipient sous pression pourrait être scellé de façon permanente, et les pompes enlevées.

Getter fritté de zirconium typique via saesgetters.com

Le système repose sur la chimisorption utilisant des getters poreux frittés, qui sont une sorte de getter non évaporable (NEG). Ces dispositifs passifs simples sont formés d’une structure poreuse frittée de poudre de zirconium et d’autres matériaux, enroulée autour d’un élément chauffant électrique. Lors de leur fabrication, ils sont exposés à l’air, formant un revêtement de passivation et les protégeant de la contamination. Lorsqu’il est installé dans une chambre à vide, le getter est activé en le chauffant pendant le processus de pompage. Cela diffuse la couche de passivation dans la masse de la structure et fournit une surface activée prête à adsorber tous les contaminants pendant le pompage et ensuite lorsque la chambre est scellée. Les getters sont assez courants dans de nombreux appareils à vide ménagers, des ampoules à incandescence aux valves radio, mais les getters utilisés ici sont un peu plus spécialisés que ceux d’autrefois et capables de saisir plus d’atomes sur une plus longue période et de les contenir. .

L’essentiel ici est que pour avoir un petit groupe pur d’atomes de rubidium super cool à piquer avec des lasers, vous devez d’abord ne pas avoir d’autres atomes qui bougent, qui gênent. De tels getters sont très importants pour saisir les atomes indésirables et maintenir cette pureté.

Le dégazage est un problème avec les appareils à ultra-vide. Les gaz contaminants présents dans la structure du boîtier se diffusent dans le récipient sous pression, contaminant le vide. Un autre problème connexe est celui de la perméation depuis l’extérieur du récipient. Les appareils NEG fonctionnent sur des principes chimiques, de sorte que tout hélium qui parvient à se diffuser dans le vide depuis l’extérieur de l’enceinte ne réagira pas avec le getter et contaminera le vide. Ces deux problèmes ont été minimisés par une sélection rigoureuse des matériaux. Le cadre était en titane pur, à faible teneur en hydrogène, avec les fenêtres en saphir, qui n’a apparemment aucune perméabilité à l’hélium mesurable. Ces deux matériaux ont des coefficients de dilatation thermique étroitement appariés, ce qui aide à maintenir l’étanchéité sous vide et à réduire les contraintes sur la structure lorsque la température baisse.

L’équipe a découvert qu’une fois pompé et scellé, le récipient « à pompage passif » pouvait maintenir la pression de vide de 10e-9 torr nécessaire pendant plus de 200 jours, ce qui signifie que si tous les autres composants pouvaient être miniaturisés avec succès, il existe désormais un moyen de produire le premier MOT petit et donc portable, et avec lui un interféromètre atomique capable d’applications de guidage inertiel. Bien entendu, puisque l’application ici est essentiellement un accéléromètre, il peut être utilisé comme un gravimètre super sensible qui serait utile pour l’arpentage au sol pour des secteurs tels que l’exploration pétrolière et minérale ainsi que pour la recherche géologique.