Ce mémoire rapporte les premiers résultats d'une expérience visant à développer une horloge optique à atomes de strontium piégés. Ce dispositif réunit les avantages des différentes techniques utilisées jusqu'à présent pour réaliser un étalon de fréquence atomique. La première partie décrit la réalisation de la source d'atomes froids. Un piège magnéto-optique fonctionnant sur la transition 1S0-1P1 à 461nm est chargé à partir d'un jet atomique décéléré par un ralentisseur Zeeman. La source à 461nm est réalisée par somme de fréquence dans un cristal de KTP. Dans la deuxième partie sont détaillées les étapes mises en oeuvre pour effectuer la détection par excitation directe de la transition d'horloge 1S0-3P0 du 87Sr, de 1mHz de largeur de raie théorique. Préalablement à cette observation, une première estimation de la fréquence de la transition d'horloge a été obtenue en mesurant la fréquence absolue de plusieurs résonances optiques plus largement permises.
Ce mémoire rapporte les premiers résultats d'une expérience visant à développer une horloge optique à atomes de strontium piégés. Ce dispositif réunit les avantages des différentes techniques utilisées jusqu'à présent pour réaliser un étalon de fréquence atomique. La première partie décrit la réalisation de la source d'atomes froids. Un piège magnéto-optique fonctionnant sur la transition 1S0-1P1 à 461nm est chargé à partir d'un jet atomique décéléré par un ralentisseur Zeeman. La source à 461nm est réalisée par somme de fréquence dans un cristal de KTP. Dans la deuxième partie sont détaillées les étapes mises en oeuvre pour effectuer la détection par excitation directe de la transition d'horloge 1S0-3P0 du 87Sr, de 1mHz de largeur de raie théorique. Préalablement à cette observation, une première estimation de la fréquence de la transition d'horloge a été obtenue en mesurant la fréquence absolue de plusieurs résonances optiques plus largement permises.
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
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.
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.
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.
Le nouveau projet expérimental décrit dans cette thèse a pour vocation l'étude de la localisation d'Anderson, un phénomène où la diffusion d'une onde, dans un milieu désordonné, est arrêtée par les interférences. Pour reproduire les conditions prévues dans le modèle de P.W. Anderson, on choisit d'étudier la diffusion à trois dimensions de la lumière dans un gaz d'atomes froids. En particulier, le dispositif devra permettre d'augmenter le désordre dans le nuage d'atomes froids jusqu'à observer la transition de phase entre un nuage conducteur pour la lumière et un nuage isolant. La mise à disposition d'un gaz d'atomes froids ayant la densité et les dimensions nécessaires à l'étude de la localisation fait l'objet de cette thèse. Ce travail de thèse comprend la conception et la construction d'un dispositif ayant pour ambition de piéger un maximum d'atomes. Le gaz d'atomes froids piégés est obtenu par le refroidissement Doppler, sur la transition ¹S₀ → ¹P₁, d'un jet d'ytterbium dans un piège magnéto-optique. Le jet atomique est caractérisé en fonction de la température du four. Au-dessus d'une température critique, la croissance de son débit diminue fortement dû à un changement de régime d'écoulement dans les micro-tubes de filtrage du four. Pour le refroidissement Doppler, on dispose d'un laser de 2,5 W à 399 nm. Le nombre d'atomes capturés par le piège magnéto-optique dépend du taux de chargement et des pertes. On optimise d'abord le taux de chargement jusqu'à 3,2 × 10⁹ atomes/s. Ensuite, on caractérise les sources de pertes qui sont, aux faibles densités atomiques, majoritairement dues aux collisions avec le gaz résiduel chaud ; et à plus haute densité, dues aux collisions assistées par la lumière entre atomes piégés. Notre meilleur résultat est un milliard d'atomes piégés avec une épaisseur optique trop faible pour générer de la diffusion multiple de la lumière dans le nuage. Finalement, une étape de refroidissement supplémentaire ainsi que des pistes d'amélioration sont brièvement présentées. Le refroidissement et la compression du nuage sur la transition d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ ont permis d'obtenir une épaisseur optique suffisante pour l'observation d'un cône de rétrodiffusion cohérente. Ce cône est une signature préliminaire encourageante vers la localisation d'Anderson.
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.