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).
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).
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.
Installation et caractérisation préliminaire d'un piège de Paul à électrodes de surface pour la métrologie de fréquence Cette thèse présente des avancées dans le développement d'une horloge optique à ion unique transportable à base d'ytterbium, en se concentrant sur l'intégration d'un piège à électrodes de surface microfabriqué dans le dispositif expérimental. Les recherches explorent l'optimisation des systèmes de piégeage d'ions pour améliorer la stabilité, en ciblant des applications en métrologie de précision, physique fondamentale et géodésie.Le travail aborde les principes théoriques du piégeage d'ions, en mettant en lumière les défis posés par le micromouvement, le chauffage motional et le bruit de projection quantique, ainsi que les stratégies pour surmonter ces limitations. Il examine également les processus de détection et l'interaction entre la conception du piège et les performances de l'horloge. Une approche globale combine modélisation théorique, tests électriques et mesures expérimentales pour affiner la conception et le fonctionnement du piège.Le dispositif expérimental intègre des lasers stabilisés, des contrôles optimisés des tensions RF et DC, ainsi que des systèmes à ultra-haut vide pour piéger et interroger efficacement les ions 171Yb+. Parmi les réalisations notables figurent la stabilisation des fréquences laser sur une lampe Yb à cathode creuse, atteignant une stabilité de fréquence fractionnaire inférieure à 10⁻⁹, et la conception d’un résonateur RF de haute qualité avec des performances significativement améliorées. Des niveaux de vide améliorés et une nouvelle conception de distributeur ont permis un chargement des ions plus efficace et une durée de vie prolongée des pièges.L'étude met également en évidence les défis rencontrés lors du fonctionnement du piège, notamment des comportements inattendus de rupture de tension, et propose des améliorations futures dans la conception des puces et les processus de microfabrication. Ces résultats offrent des perspectives précieuses sur les limites et le potentiel des pièges de surface microfabriqués dans les applications d'horloges optiques.En conclusion, cette recherche fait progresser la compréhension et la mise en œuvre des pièges à ions de surface, contribuant au développement d'horloges atomiques optiques compactes et transportables. Les résultats fournissent une base solide pour de futures innovations, en répondant aux défis existants tout en ouvrant la voie à de nouvelles applications dans la mesure du temps de précision et les domaines connexes.
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.
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.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.