Monde de la physique : mesurer la gravité avec des aimants flottants

La rapidité avec laquelle un objet tombe au sol indique l’attraction gravitationnelle de la Terre. Cependant, cela peut être déterminé de manière beaucoup plus précise à l’aide d’appareils de mesure modernes, appelés gravimètres. En utilisant des billes flottantes au-dessus d’un anneau supraconducteur, ils mesurent de minuscules fluctuations de l’accélération due à la gravité. Mais les supraconducteurs nécessitent un refroidissement complexe. Une équipe de recherche a mis au point un gravimètre plus précis, capable également de mesurer les plus petites fluctuations de la gravité à température ambiante. Comme ils le rapportent dans la revue spécialisée « Physical Review Letters », le capteur convient également à une puce mobile.

L’équipe dirigée par Yingchun Leng de l’Université de Nanjing a construit son nouveau gravimètre à partir de deux aimants. Les chercheurs les ont protégés des champs magnétiques externes dans une chambre à vide avec une enveloppe en mu-métal composé de nickel et de fer. Ils ont placé un aimant dans la partie supérieure du capteur, qui attirait un aimant plus petit pesant seulement 215 milligrammes en dessous. Ils ont coordonné les masses et la distance entre les deux aimants afin que celui du bas flotte et s’équilibre dans l’interaction entre la gravité et le champ magnétique. Après une longue attente, il se balançait régulièrement une fois par seconde.

Les chercheurs ont attaché une petite languette aux aimants flottants. Ils ont focalisé un faisceau laser sur cette languette via une fibre optique. Lorsque l’aimant oscillait, la languette recouvrait plus ou moins le faisceau laser, ce qui signifiait que différentes quantités de lumière atteignaient un détecteur sensible situé derrière la languette.

La vibration de l’aimant révèle une gravité variable

Les chercheurs ont utilisé leur nouveau gravimètre pour mesurer les plus petits changements de gravité. Cela se produit parce que la position du soleil et de la lune par rapport à la terre change encore et encore selon des cycles. Dans la nature, cela crée des marées avec flux et reflux. Dans le nouveau gravimètre, l’oscillation de l’aimant inférieur flottant changeait avec la gravité – ce qui modifiait alors également le couvercle de la languette et donc le signal qui frappait le détecteur de lumière.

Grâce à ces mesures, l’équipe de Yingchun Leng a pu déterminer l’accélération due à la gravité et ses écarts par rapport à la moyenne de 9,81 m/s² à six décimales, soit environ trois fois plus précise que les mesures précédentes. Avec cette précision, les coulées de lave sous les volcans peuvent être examinées ou les gisements de pétrole peuvent être identifiés sous terre. L’équipe pense également qu’il est possible de réduire considérablement le nouveau type de gravimètre et de l’intégrer dans une puce de capteur qui mesure le champ de gravité d’une région lors d’un vol à bord de petits drones.