Mesure ultrasensible de vibrations en milieu cryogénique

La cryogénie est un instrument incontournable dans de nombreuses branches de la physique expérimentale. Cependant les difficultés constantes d’approvisionnement en hélium mènent depuis plusieurs années à une utilisation croissante des cryostats à circuit fermé en remplacement des dispositifs à hélium liquide, au prix d’une forte dégradation de la stabilité mécanique. Les accéléromètres, souvent utilisés pour caractériser ces vibrations, sont malheureusement limités à quelques kHz de bande passante. La caractérisation de ces vibrations à plus haute fréquence est pourtant indispensable pour envisager l’utilisation de ces cryostats par exemple sur des dispositifs incluant des micro- ou des nano-résonateurs. Les méthodes optiques (interférométriques par exemple), au contraire, sont intrinsèquement large bande, et leur caractère sans contact permet une mesure in situ. Elles sont cependant effectuées par comparaison avec un second objet à l’extérieur du cryostat, et sont donc par nature non inertielles.

Les chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris-PSL) et de l’Institut Néel (CNRS/Université Grenoble Alpes) ont imaginé une méthode de mesure optique des vibrations à la fois large bande, sans contact et inertielle, qui s’appuie sur la sensibilité à la contrainte des fréquences de transition d’un ensemble d’ions terre rare insérés dans un cristal. Ils se sont intéressés aux limites de sensibilité de cette méthode en la testant dans un cryostat modifié dans lequel les vibrations sont très atténuées. Les performances de cette méthode s’avèrent remarquables par rapport aux techniques usuelles d’interférométrie optique, en particulier pour les fréquences acoustiques élevées (>1kHz), et pourraient rapidement permettre de réaliser des diagnostics vibratoires large bande dans des cryostats, qu’ils soient à circuit fermé ou non.


Figure : Densité spectrale des déplacements mesurés dans 3 environnements vibratoires différents (a, b,c), et estimation des différents planchers de bruit dûs aux bruits de fréquence et d’intensité du laser. Ligne horizontale : limite quantique d’une mesure interférométrique classique avec une puissance optique identique.

Référence :
Limits to the sensitivity of a rare-earth-enabled cryogenic vibration sensor,
A. Louchet-Chauvet, T. Chanelière,
AVS Quantum Sci. 4, 024401 (2022)

Haut de page