Les performances des horloges atomiques ont été considérablement améliorées par l'utilisation d'atomes refroidis par laser. En effet, il est possible d'observer ces atomes extrêmement lents beaucoup plus longtemps que les atomes à température ambiante des horloges conventionnelles. A ce jour, la meilleure horloge à césium a une exactitude de $2\times 10^(-15)$ et une stabilité de $1\times 10^(-15)$ sur trois heures d'intégration. Sur terre, le temps d'observation est limité à une seconde environ par la présence de gravité. L'objet de ce travail de thèse est l'étude d'une horloge à atomes froids fonctionnant en impesanteur. Dans un premier temps, nous montrons comment la micro-gravité peut conduire à une amélioration des performances de l'horloge avec un temps d'observation des atomes de plusieurs secondes. Les performances ultimes d'une horloge à atomes froids dans l'espace sont étudiées. Atteindre une exactitude et une stabilité à un jour de $1\times10^(-16)$ semble tout à fait réaliste à court terme. Le problème de la méthode d'interrogation des atomes doit être reconsidéré à ce niveau de performances et dans cet environnement d'impesanteur. Nous introduisons la fonction de sensibilité atomique pour le résoudre et comparer plusieurs méthodes d'interrogation possibles. La deuxième partie de ce travail présente un prototype de l'horloge spatiale. Compact et fiable, il a été testé en absence de gravité au cours de vols paraboliques à bord d'un avion. Cette expérience montre la faisabilité de l'horloge spatiale.
Les performances des horloges atomiques ont été considérablement améliorées par l'utilisation d'atomes refroidis par laser. En effet, il est possible d'observer ces atomes extrêmement lents beaucoup plus longtemps que les atomes à température ambiante des horloges conventionnelles. A ce jour, la meilleure horloge à césium a une exactitude de 2×10(−15) et une stabilité de 1×10(−15) sur trois heures d'intégration. Sur terre, le temps d'observation est limité à une seconde environ par la présence de gravité. L'objet de ce travail de thèse est l'étude d'une horloge à atomes froids fonctionnant en impesanteur. Dans un premier temps, nous montrons comment la micro-gravité peut conduire à une amélioration des performances de l'horloge avec un temps d'observation des atomes de plusieurs secondes. Les performances ultimes d'une horloge à atomes froids dans l'espace sont étudiées. Atteindre une exactitude et une stabilité à un jour de 1×10(−16) semble tout à fait réaliste à court terme. Le problème de la méthode d'interrogation des atomes doit être reconsidéré à ce niveau de performances et dans cet environnement d'impesanteur. Nous introduisons la fonction de sensibilité atomique pour le résoudre et comparer plusieurs méthodes d'interrogation possibles. La deuxième partie de ce travail présente un prototype de l'horloge spatiale. Compact et fiable, il a été testé en absence de gravité au cours de vols paraboliques à bord d'un avion. Cette expérience montre la faisabilité de l'horloge spatiale.
Ce manuscrit présente l'étude des performances ultimes d'une horloge micro-onde à atomes refroidis par laser. Cette horloge, nommée la MuClock, est entièrement intégrée et automatisée dans un volume de 0,7 m3. Son fonctionnement de principe est conçu autour de sa cavité sphérique en cuivre. Celle-ci est utilisée à la fois en tant que résonateur micro-onde pour interroger les atomes, et comme une sphère intégrante afin de générer un champ de lumière isotrope pour le refroidissement des atomes. La MuClock réalise une mesure de la fréquence de transition hyperfine de l'état 5²S1/2 du rubidium 87 à partir d'une séquence constituée de trois étapes distinctes. Premièrement, en utilisant les technologies de doublage de fréquence à 1 560 nm, 10 millions d'atomes sont refroidis à une température d'environ 70 μK par la méthode de refroidissement isotrope. Ensuite, on utilise la méthode de spectroscopie de Ramsey en appliquant deux impulsions micro-ondes séparées d'une durée effective de 40 ms pour interroger les atomes en chute libre dans la cavité. Enfin, environ 1,5 millions d'atomes sont détectés à mi-frange par absorption d'un faisceau lumineux vertical. Cette séquence d'environ 150 ms permet à la MuClock d'atteindre une performance en stabilité relative de la fréquence d'horloge entre 3 × 10−13 et 5 × 10−13 à 1 s et de 1 × 10−15 en moins de deux jours maintenu pendant plus d'un mois. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le bilan d'exactitude de la fréquence d'horloge mesurée avec une incertitude totale inférieure à 5 × 10−14.Chacun des effets systématiques contribuant à décaler la mesure de fréquence d'horloge de la MuClock est étudié dans cette thèse. Le plus large d'entre eux, l'effet Zeeman quadratique, est corrigé en interrogeant les transitions magnétiques des atomes. Un autre effet que l'on ne peut pas mesurer en utilisant les atomes est l'effet de transitoires de phase, pour lequel un banc de mesure est spécifiquement conçu. Les mesures réalisées permettent d'optimiser la séquence d'horloge pour réduire la contribution de cet effet. Ce banc est également utilisé pour mesurer la variation de phase due à un changement de la taille de la cavité au cours de l'interrogation des atomes. Cet effet est supprimé en adaptant la méthode de chauffage de la cavité de la MuClock. Par ailleurs, une expérience d'imagerie par tomographie permet de mesurer la distribution spatiale des atomes et de la modéliser. Ce modèle est validé par des simulations numériques reconstruisant les signaux d'oscillations de Rabi et les franges de Ramsey de la MuClock. La distribution spatiale des atomes ainsi modélisée permet d'estimer plusieurs effets systématiques, comme les décalages par collisions entre atomes froids ou l'impact de la distribution spatiale de la phase du champ micro-onde. Cette distribution est modélisée à partir de simulations par éléments finis du mode de résonance de la cavité. Ces simulations sont également utilisées afin d'appréhender les biais possibles sur l'effet d'entraînement de fréquence de la cavité, dont la contribution est rendue négligeable en asservissant la fréquence de résonance de la cavité. Concernant les décalages de Ramsey et Rabi, ces effets sont mesurés à partir de spectroscopies de Ramsey de durées effectives variées. L'effet de rayonnement corps noir est évalué en considérant la géométrie spécifique de la MuClock. Enfin, on vérifie que des effets comme le décalage lumineux ou des phénomènes d'excitation hors résonance sont négligeables dans le bilan d'exactitude. Au terme de ces études, on peut définir l'exactitude d'une MuClock avec une incertitude de 1,3 × 10−14. Des mesures de fréquence d'horloge pour une MuClock contre les références de fréquence du Laboratoire Temps-Espace valident la fréquence d'horloge évaluée avec un écart de 4 × 10−15. Néanmoins, l'incertitude pour ces mesures est plus élevée, de l'ordre de 2,6 × 10−14.
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.
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 révolutions quantiques du XXe siècle ont vu l'émergence de nouveaux capteurs de haute précision, appelés senseurs inertiels à onde de matière. L'utilisation de ces senseurs pour étudier le champ gravitationnel terrestre pourrait contribuer à résoudre l'un des grands mystères de la physique fondamentale : le principe d'équivalence faible, qui postule que la masse des corps n'affecte pas leur chute. Cependant, ce postulat fondamental de la relativité générale est remis en question par certaines théories cherchant à unifier la mécanique quantique et la gravité.La réalisation d'un test expérimental pour examiner cette question est essentielle, mais elle nécessite un long temps de chute libre, qui n'est réalisable que depuis l'espace. La conception d'un démonstrateur spatial nécessite une avancée technologique significative. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ICE, qui consiste en un prototype de laboratoire pour de futures missions spatiales. Cette expérience est testée à bord de l'avion Zéro-G ainsi que sur un simulateur de microgravité au sein du laboratoire.L'objectif principal est de mesurer l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes, le rubidium 87 et le potassium 39, en utilisant une méthode interférométrique. Ces atomes sont utilisés comme masses d'épreuve. Pour réaliser la mesure avec une grande précision, il est nécessaire d'abaisser la température des nuages atomiques avec des techniques de refroidissement laser.Le présent manuscrit présente les premiers résultats obtenus concernant la production de nuages d'atomes ultra-froids à bord de l'avion Zéro-G, grâce à des techniques de refroidissement évaporatif tout-optique. De plus, notre simulateur de microgravité, doté d'un accès illimité et d'un taux de répétition élevé, nous a permis d'obtenir des résultats en interférométrie atomique avec de longs temps d'interrogation. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d'un test de haute sensibilité du principe d'équivalence sur cette plateforme.
Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.
Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.