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.
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.
Depuis les années 1970 et avec la contribution de Hans Dehmelt, d’immenses progrès ont été réalisés dans le domaine de la mesure du temps et des fréquences. L’apparition, au milieu du XXe siècle des premières horloges atomiques, puis des peignes de fréquences optiques ont permis l’avènement des horloges optiques. Ce type de dispositif présente un intérêt majeur pour de nombreux domaines de la physique car il permet de fournir un signal à la fois stable et précis à des niveaux inatteignables par des moyens mécaniques ou piézoélectriques.Parmi les différents domaines d’application possibles des horloges, nombreux sont ceux qui s’intéressent également à la compacité et à la transportabilité du dispositif. Les systèmes embarqués en premier lieu sont toujours plus exigeants en termes de contraintes de volume, de consommation énergétique et de performance. D’autres applications comme la géodésie nécessitent de pouvoir emmener l’horloge sur le terrain.C’est dans ce contexte qu’a débuté le développement de l’horloge optique compacte à ion Yb+ à l’institut FEMTO-ST en 2014. L'objectif est de développer une horloge atomique d’un volume total inférieur à 500 L et capable d’atteindre des performances supérieures d’un facteur dix à celles des horloges atomiques compactes actuelles. Mes travaux ont débuté en 2016, par la mise en place du système expérimental complet, depuis les bancs optiques et les sources lasers utilisées pour créer, refroidir et manipuler les ions, jusqu’à la mise sous vide de l’enceinte expérimentale et la capture des premiers ions Yb+. Le piège actuellement utilisé est un prototype de piège surfacique en cuivre sur FR-4, conçu pour mettre rapidement le système expérimental en fonctionnement et réaliser les premiers piégeages d’ion. A ce titre il présente plusieurs défauts et mon travail par la suite s’est donc orienté vers la conception et la réalisation d’un nouveau piège, utilisant les ressources de salle blanche (centrale de technologie MIMENTO) pour réaliser un nouveau piège micro-fabriqués utilisant des techniques de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
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.
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.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.
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.