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.
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.
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
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.
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.
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.
Une horloge à réseau optique avec un isotope bosonique du mercure Les horloges optiques ont atteint des précisions proches de 1 x 10⁻¹⁸. Elles sont utilisées dans diverses applications, comme la géodésie chronométrique, les tests de Relativité Générale, la recherche de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard, ainsi que pour la redéfinition de la seconde. Parmi les espèces neutres, le mercure présente plusieurs avantages pour une horloge à réseau optique, notamment une faible sensibilité au rayonnement de corps noir (16 fois inférieure à celle de l'ytterbium et 30 fois inférieure à celle du strontium) et une pression de vapeur élevée à température ambiante. Jusqu'à présent, l'isotope fermionique ¹⁹⁹Hg était le seul utilisé dans ces horloges, mais sa durée de vie limitée dans l'état excité empêche d'exploiter pleinement le potentiel des nouveaux lasers ultra-stables. L'utilisation d'isotopes bosoniques permet de contourner cette limite grâce à une durée de vie potentiellement illimitée. Cette thèse présente la première observation de la transition bosonique ¹⁹⁸Hg dans une horloge à réseau optique, grâce à plusieurs avancées expérimentales et la recherche d'une transition étroite dans une large plage d'incertitude. La transition de l'horloge bosonique est interdite, mais peut être induite par un champ magnétique élevé via la méthode du quenching. Cela permet des temps d'interrogation plus longs, ajustables aux propriétés du laser. Le premier défi a été de développer un système capable de générer un champ magnétique suffisamment fort pour induire cette transition avec un couplage maximal. Un autre défi était de concevoir un laser d'interrogation accordable et flexible, tout en maintenant un bruit faible, permettant ainsi d'interroger n'importe quel isotope sans bruit supplémentaire. Puisque le couplage augmente avec la puissance du laser, une étape cruciale a été d'augmenter la puissance de notre source UV ultra-stable. Malgré ces avancées, nos calculs ont montré que le couplage restait faible, rendant la transition difficile à trouver sur une large plage de fréquences. Diverses mesures et vérifications ont été effectuées, notamment un alignement précis avec l'isotope ¹⁹⁹Hg, pour maximiser les chances de succès. Grâce à ces efforts, la transition ¹⁹⁸Hg a été trouvée, marquant la première observation d'une transition d'isotope bosonique du mercure. Suite à cela, nous avons établi une horloge fonctionnelle avec l'isotope bosonique ¹⁹⁸Hg, atteignant une stabilité de 10⁻¹⁵ à 1 seconde. Plusieurs études ont été réalisées, notamment la mesure du coefficient du déplacement Zeeman quadratique avec une précision permettant de le contrôler à 10⁻¹⁷ ou mieux. Nous avons également commencé à étudier d'autres effets systématiques comme le déplacement lumineux, le déplacement collisionnel et celui dû à la lumière du réseau, ainsi que la mesure de la longueur d'onde magique du ¹⁹⁸Hg. Une première comparaison avec le ⁸⁷Sr a permis d'atteindre une stabilité de 1.2 x 10⁻¹⁵ à 1 seconde, ouvrant la voie à une première mesure du rapport de fréquence ¹⁹⁸Hg/⁸⁷Sr.
Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion unique de calcium confiné dans un piège de Paul. Après avoir passé en revue les différents types d'étalons de fréquence dans le domaine optique actuellement développés (atomes neutres en piège magnéto-optique, atomes neutres dans un réseau optique et ions piégés), l'accent est mis sur le concept d'horloge a ion unique confiné dans une piège radiofréquence. Les notions de piégeage des ions, de refroidissement laser, d'effet systématique et les techniques d'asservissement laser y sont étudiées en détail. Les aspect expérimentaux sont ensuite présentés, en insistant particulièrement sur les deux pièges utilisés au cours des expériences ainsi que sur le protocole expérimental qui détermine le cahier des charges du laser d'horloge. Afin de réaliser un étalon de fréquence optique il faut posséder une source laser dont les propriétés spectrales soient meilleures ou identiques à celle de la transition atomique afin de tirer pleinement profit du facteur de qualité de la transition atomique. L'ensemble des systèmes d'asservissement du laser, lui permettant d'atteindre ces performances, sont décrits. Dans une première partie, l'asservissement du laser sur une cavité Invar de pré-stabilisation est présenté. On peut ainsi atteindre une largeur de raie du laser de l'ordre de 1 kHz. Dans une seconde partie la réalisation et le montage de l'asservissement sur une cavité ULE de haute finesse est détaillé. En utilisant ce dernier étage nous avons estimé la largeur de raie du laser à 120 mHz. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'utilisation d'une technique d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité des faisceaux laser et ainsi réduire le bruit de fond du système de détection des ions, qui a pour conséquence de dégrader la stabilité du système.