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axe capteurs quantiques et métrologie

 

Photographie d’une horloge à réseau optique à atomes de strontium. Les atomes refroidis par laser sont visibles dans le point bleu au centre. Les horloges de ce type définiront le temps atomique international, et seront utilisées pour réaliser de nouveaux capteurs du potentiel de gravitation pour les sciences de la Terre (LNE-SYRTE, Observatoire de Paris).

Ce domaine situé à la frontière entre la recherche et le développement est très vaste, et inclut en particulier :

Horloges atomiques : La précision sur la mesure du temps, qui repose sur des principes quantiques, a fait en dix ans des progrès exceptionnels, et atteint 1 seconde sur 1 milliard d’années. Les équipes de recherche franciliennes sont très bien placées dans cette course à la précision des horloges, dans laquelle la compétition internationale est particulièrement vive. Les applications potentielles sont  nombreuses, par exemple en géophysique (mesures du potentiel gravitationnel), pour le futur « GPS Européen » GALILEO, ou pour le développement de méthodes très innovantes de transfert du temps, démontrées récemment par le SYRTE.

Capteurs utilisant des atomes naturels ou artificiels : Le contrôle et et le suivi de l’évolution d’objets quantiques simples tels les atomes ou les molécules permettent d’en faire des capteurs de très grande précision. Sur ce principe, les interféromètres atomiques mesurent des accélérations et des rotations avec des sensibilités meilleures que l’état de l’art classique. Ces instruments seront bientôt utilisés pour la navigation inertielle, qui pourrait ainsi se passer du GPS. Les gravimètres quantiques ont quant à eux des applications à la détection des infrastructures souterraines et des ressources du sous-sol (pétrole, gaz). La possibilité de créer des atomes artificiels dans des solides et de contrôler leurs propriétés quantiques ouvre de très nombreuses possibilités pour l’ingénierie des capteurs. Un des systèmes les plus étudiés est le centre coloré « NV » du diamant, qui a permis de réaliser des magnétomètres compacts et sensibles aujourd’hui proches de l’industrialisation. On peut aussi utiliser d’autres systèmes de la matière condensée, par exemple d’autres défauts ponctuels dans les solides, des boîtes quantiques semiconductrices, des ions de terre rare dans un cristal. SIRTEQ combine tous les savoir-faire nécessaires pour développer ces approches puisqu’il fédère des équipes travaillant sur le contrôle de systèmes quantiques élémentaires, des spécialistes de la spectroscopie des solides, et des experts sur les matériaux, en contact avec des industriels travaillant à ces développements.

Capteurs mécaniques quantiques : Les systèmes mécaniques miniatures (MEMS, NEMS et dérivés) sont au cœur de nombreuses technologies, et on les trouve jusque dans nos smartphones, où ils sont intégrés sur puce et embarqués. Ces dernières années, des progrès ont permis de révéler et de contrôler le comportement quantique de ces micro-systèmes mécaniques, ouvrant la voie à de nouvelles générations de capteurs. Les équipes franciliennes sont très impliquées, et soutenues par une forte capacité technologique régionale.

Métrologie électronique quantique : Les dispositifs quantiques électroniques (semiconducteurs et supraconducteurs), utilisant par exemple l’effet Hall quantique, sont à la base de nombreuses applications en tant que capteurs, mais aussi en métrologie fondamentale, en vue de la future redéfinition du Système International d’unités. Ces dispositifs sont par ailleurs naturellement intégrables sur puce.

Le premier objectif du DIM sera d’amener à leur limite quantique la sensibilité des capteurs qui ne l’ont pas encore atteinte, grâce à une meilleure maîtrise des sources de bruit classique, et ce pour différentes configurations de capteurs dans différents environnements physiques. Le second objectif, central pour ce projet, sera de dépasser ces limites, en exploitant des états quantiques particuliers du rayonnement ou de la matière.

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