En métrologie de la pression, les étalons mécaniques dominent depuis cent ans : les manomètres à mercure et les manomètres à piston. Ils sont performants près de la pression atmosphérique, mais leur précision chute rapidement lorsqu'on se dirige vers le vide poussé (UHV, en dessous de 10^-6 Pa). Les étalons existants pour l'UHV, comme les étalons de débit à travers une membrane, sont coûteux et complexes, et les jauges à ionisation sont instables. Après la redéfinition du SI en 2019, le pascal peut être réalisé en mesurant la densité de particules et la température, ce qui ouvre la voie à des capteurs fondamentalement nouveaux. Le travail sur les atomes froids s'inscrit dans le courant général des capteurs quantiques, dont parlent les articles voisins : thermomètres quantiques, compression quantique et boussoles atomiques. Mais ici, les atomes ne servent pas à mesurer des champs ou le temps, mais comme sondes de pression dans la chambre à vide.
Le capteur fonctionne ainsi : un nuage de 10^5 atomes de lithium ou de rubidium est refroidi par laser à des dizaines de microkelvins et maintenu dans un piège magnétique peu profond (profondeur d'environ 1 mK). Les molécules du gaz résiduel, se déplaçant à des vitesses correspondant à la température ambiante, entrent en collision avec les atomes froids et les éjectent du piège. Le nombre d'atomes restants est mesuré par fluorescence après différents temps de confinement, et le taux de pertes est déterminé à partir de la décroissance. Ce taux est proportionnel à la densité du gaz de fond et au coefficient de vitesse de pertes connu, calculé à partir des premiers principes de la mécanique quantique de la diffusion. Pour les coefficients, trois approches sont utilisées : les calculs quantiques complets, le modèle universel des collisions diffractives, et la comparaison avec l'étalon de débit à membrane.
Le résultat clé : le capteur de vide à atomes froids (CAVF) mesure la pression avec une incertitude relative d'environ 1 à 3 % dans la gamme de 5×10^-9 Pa à 5×10^-5 Pa. Par exemple, dans l'une des démonstrations, une pression de 42(1) nPa a été mesurée. La comparaison des coefficients de vitesse de pertes mesurés pour le 7Li avec les calculs ab initio donne un accord à mieux que 2 % pour la plupart des gaz (H2, He, Ne, N2, Ar, Kr, Xe), à l'exception de l'hélium où l'écart atteint 3,6 %. Pour le 87Rb, les écarts entre différentes méthodes vont jusqu'à 17 %, ce qui indique des effets systématiques sous-estimés. Le modèle universel fonctionne bien pour les gaz lourds, mais échoue pour les gaz légers comme H2. La comparaison directe de deux CAVF indépendants basés sur le 6Li et le 87Rb a confirmé la validité de l'approche ratiométrique.
Ce travail se distingue des autres capteurs quantiques voisins : ceux-ci mesurent des champs, le temps ou la température, alors qu'ici les atomes deviennent un outil de métrologie du vide. La différence avec les autres est que le capteur ne nécessite pas de calibrage par rapport à un autre étalon de pression, car il repose sur des sections efficaces quantiques fondamentales. C'est la première technologie capable de devenir un étalon primaire dans l'UHV sans systèmes de débit coûteux. Concrètement, cela signifie que le calibrage des jauges à ionisation pourrait devenir plus simple et moins cher, et que la chaîne de traçabilité vers le pascal serait raccourcie.
La feuille de route trace plusieurs directions. Premièrement, améliorer la précision de la mesure du taux de pertes grâce à des méthodes de lecture non destructives (imagerie par contraste de phase, rotation de Faraday) et à une optimisation statistique. Deuxièmement, développer la théorie pour réduire l'incertitude des calculs des coefficients de vitesse en dessous de 0,1 %, y compris la prise en compte des corrections non adiabatiques et l'apprentissage automatique pour l'analyse des potentiels. Troisièmement, étendre la gamme de pressions vers le haut pour chevaucher les réfractomètres Fabry-Perot, qui fonctionnent à des pressions supérieures à quelques millipascals. Enfin, il est prévu de quantifier les limites de l'hypothèse universelle et d'étudier des gaz complexes comme l'eau et le méthane.
La technologie aura un impact sur la métrologie du vide, le calcul quantique (contrôle de la pression résiduelle dans les chambres à atomes de Rydberg) et la science des matériaux (mesure du dégazage). Les fabricants de capteurs de vide pourront utiliser le CAVF comme étalon interne pour le calibrage.
Les prochaines étapes comprennent des mesures indépendantes des coefficients de vitesse pour l'argon et le krypton, où il y a des divergences, et le développement de CAVF portables avec un prix inférieur à 200 000 dollars. Il est également nécessaire d'étudier le comportement du capteur à des pressions extrêmement basses, où les pertes de Majorana et les collisions entre atomes froids commencent à dominer.
Pour la métrologie du vide, le problème clé non résolu est l'absence d'étalon primaire dans la gamme inférieure à 10^-6 Pa avec une incertitude meilleure que 1 %. Le CAVF résout directement ce problème, mais des questions subsistent sur l'influence des collisions rasantes, le choix de l'atome sonde optimal et la précision théorique des coefficients pour les molécules complexes.
La source de lithium dans le CAVF est si froide que la pression de sa vapeur à température ambiante est inférieure à 10^-16 Pa, soit 10^12 fois plus faible que celle du rubidium. Un gramme de rubidium dans un four atomique peut fournir un flux d'atomes de 10^8 par seconde pendant plus de cent ans.
L'idée d'un capteur qui détecte des collisions individuelles avec des molécules évoque les scanners atmosphériques de « Dune » de Frank Herbert, où des instruments sensibles perçoivent les moindres variations de la composition de l'air.