Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^-16. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type. L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0->J = 0. A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1^S_0 -> 3^P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 microK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87^Sr, à un niveau de quelques 10^-15.
Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^-16. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type. L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0->J = 0. A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1^S_0 -> 3^P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 microK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87^Sr, à un niveau de quelques 10^-15.
Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de Strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les différents types d'horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique qui a d'abord été formulé dans le cadre d'une horloge à 87Sr utilisant la transition 1S0 - 3P0. Les particularités de cet atome sont présentées, notamment la notion de longueur d'onde magique de piégeage, ainsi que les performances qui sont envisageables pour une telle horloge. La deuxième partie présente les aspects expérimentaux, en insistant plus particulièrement sur le développement du laser ultra-stable qui est utilisé pour l'interrogation des atomes et qui représente un point central. Parmi les dernières améliorations, une phase de pompage optique et d'interrogation en présence d'un champ magnétique a été ajoutée au dispositif de manière à mieux déterminer l'effet Zeeman. Enfin, la dernière partie présente les résultats expérimentaux. La dernière évaluation de l'horloge à 87Sr a permis d'atteindre une exactitude de 2,6.10-15 et une mesure en accord au niveau de 10-15 avec une évaluation indépendante faite au JILA. D'autre part, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure a également été effectuée en utilisant l'isotope bosonique 88Sr et en adaptant le dispositif expérimental, permettant d'obtenir la première évaluation pour ce type d'horloge, avec une exactitude de 7.10-14.
Le LNE-SYRTE développe actuellement des horloges à réseau optique. Ces horloges consistent en un ensemble de quelques dizaines de milliers d'atomes ultrafroids confinés dans un réseau optique, dont une transition étroite, la transition d'horloge, est utilisée pour asservir la fréquence d'un laser ultra stable. Les performances des horloges optiques trouvent des applications aussi bien en métrologie temps-fréquences, qu'en géodésiechronométrique, ou encore qu'en physique fondamentale.Deux horloges à réseaux optiques strontium sont opérationnelles au SYRTE, et présentent une instabilité de 7e-16 à 1 seconde, et une inexactitude fractionnaire de 1.4e-17. La fiabilité de ces instruments permet des campagnes métrologiques longues et régulières, qui ont notamment permis de confirmer leur performance lors de campagnes internationales.Cette thèse propose une description des horloges, et de leurs améliorations récentes. Un budget d'exactitude révisé est présenté, ainsi que des travaux contribuant à réduire l'inexactitude de certains effets systématiques au niveau de 1e-18 : Une étude du déplacement lumineux de la transition d'horloge est proposée, et accompagnée d'un protocole permettant de s'affranchir de sa dépendance avec la température des atomes interrogés. On présente également l'assemblage d'une nouvelle enceinte ultra-haut vide, devant réduire l'inhomogénéité du rayonnement thermique reçu par les atomes, principale contribution à l'inexactitude. De nombreux résultats de comparaisons des horloges strontium, locales et internationales, par liens fibrés et par satellites, contre des horloges micro-ondes et optiques sont également décrites. Y figurent la première contribution au pilotage du Temps Atomique Internationale (TAI) en temps réel.
L’objet de ma these de doctorat est la realisation d’une nouvelle horloge a reseau optique a atomes pieges de Strontium. Apres avoir rappele en introduction les principes de base du fonctionnement des etalons atomiques de frequence et leurs objectifs, ainsi que l’etat de l’art sur les horloges optiques, l’accent est mis dans la premiere partie sur le concept d’horloge a reseau optique a atomes de Strontium tel qu’il est mis en œuvre sur un premier dispositif au LNE-SYRTE. Nous exposons ensuite les resultats experimentaux obtenus avec cette horloge lors de notre derniere campagne de spectroscopie effectuee au debut de ma these sur le fermion 87Sr. Mise en perspective avec les performances ultimes attendues, cette evaluation a un niveau d’exactitude de 2,6 10-15 nous amene a justifier les motivations pour la conception d’une nouvelle horloge a reseau optique au Strontium independante. Nous detaillons alors dans les trois parties suivantes les differentes etapes de la realisation de cette nouvelle horloge, en insistant sur les ameliorations apportees vis-a-vis de la premiere. Nous commencons par la mise en place de l’enceinte a vide ou le jet atomique est tour a tour ejecte du four, deflechi, ralenti puis capture au niveau d’un piege magneto-optique. L’etape de deflexion constitue une nouveaute qui contribue a l’amelioration des performances ; elle a fait l’objet d’une simulation numerique prealable validee par l’experience. Puis nous decrivons le reseau optique ou les atomes sont transferes et confines par interaction dipolaire. Nous demontrons alors la possibilite de realiser efficacement ce piegeage a l’aide uniquement de sources laser a semi-conducteur, moyennant la diminution des effets de chauffage parametrique grâce a la stabilisation en amont du bruit de frequence de cette source. A la fin de la these nous avons successivement ete amenes a refroidir les atomes pieges, a les interroger a l’aide d’un nouveau laser ultrastable, a detecter la probabilite de transition d’horloge et donc in fine a observer des premiers signaux de resonance atomique. Les premieres series de comparaisons entre les deux horloges au Strontium du laboratoire viennent enfin conclure ce travail
Depuis 1967, la seconde est définie par rapport à une transition atomique. Plus précisément, la seconde est déterminée par rapport à 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à deux états hyperfins de l’état fondamental d’un atome de césium 133 non perturbé. Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes se situent dans le domaine optique : un laser est utilisé pour interroger la transition d’une référence atomique. Les éléments atomiques utilisés sont par exemple du strontium, du mercure ou de l’ytterbium. D’autres horloges optiques exploitent un ion unique piégé pour établir une référence de fréquence. Les meilleures horloges optiques occupent des volumes de plusieurs milliers de litres. Bien qu’il existe des réseaux fibrés disséminant les références optiques entre différents laboratoires, la nécessité de pouvoir transporter les horloges reste un enjeu majeur pour la physique fondamental ou pour d’autres applications comme la géodésie. Le département temps fréquence de l’institut FEMTO-ST développe une horloge optique transportable à ion piégé Yb+. L’objectif du projet est d’avoir un volume total de l’ expérience de 500 L avec des performances dix fois supérieures aux horloges compactes actuelles. Un ion unique est piégé à l’aide de champs électriques générés par une puce constituant un piège de Paul surfacique. Un unique faisceau laser permet son refroidissement dans les trois directions de l’espace. Un laser d’une longueur d’onde d’environ 435,5 nm est utilisé pour interroger l’ion et constituer un oscillateur ultra-stable.Pour piéger des ions, un piège prototype en cuivre sur FR-4 a été utilisé pendant qu’en parallèle un piège était conçu et fabriqué au sein du département. Le rapide confinement d’ions avec le piège prototype a permis de mettre en place le système expérimental et établir nos premiers résultats. Des mesures caractérisant le piège ont pu être effectués et des techniques expérimentales pour le contrôle du piège ont été mises en place. Le laser d’horloge nécessitant une pré stabilisation pour sa réduction du bruit de fréquence, son asservissement sur une cavité ultra-stable fonctionnant à une longueur d’onde télécoms a été réalisée à l’aide d’un peigne de fréquence optique. Différentes simulations ont été effectuées pour prédire la stabilité relative de fréquence de l’horloge ou le comportement du nouveau piège.
Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions une horloge à réseau optique nécessite des puissances de lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, à premier ordre, les perturbations induites par le piège. Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. dans ce mémoire on passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui rendent de lui un excellent candidats pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique via un système de détection assez sensible, ce qui nous a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement sub-Doppler des isotopes fermioniques. Suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362±5 nm). La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie. Suit d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S0 →3 P0 dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope 199Hg. Avec l'utilisation du système laser ultra-stable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, nous avons déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures nous a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrons ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude.
Ce mémoire présente le développement d'une nouvelle génération d'étalons de fréquence optique utilisant des atomes piégés. La stabilité de fréquence d'une telle horloge sera limitée dans un premier temps par le bruit de l'oscillateur local. Nous discutons dans la première partie du mémoire de différents paramètres, comme le rapport cyclique ou la méthode d'interrogation, pouvant réduire les effets de ce bruit: la séquence temporelle du cycle d'horloge doit être optimisée. Avec l'oscillateur local que nous avons réalisé, un laser ultra-stable, la stabilité attendue est de quelques 10^-16 tau^-1/2 soit près de deux ordres de grandeurs mieux que les fontaines atomiques actuelles. La deuxième partie du mémoire décrit une source d'atomes froids de strontium performante, étape essentielle pour réduire le temps de préparation des atomes dans le cycle. Enfin, nous rapportons la mesure de la transition d'horloge 1S0-3P0 du ^87 Sr avec une résolution de 15 kHz.