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.
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.
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
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 horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.
Les horloges à réseau optique (OLCs) ont atteint une incertitude systématique relative sans précédent, de l’ordre de 10^{-19}, ce qui en fait des candidates sérieuses pour la prochaine redéfinition de la seconde dans le Système international d’unités. Actuellement, leur budget d’exactitude est principalement limité par le rayonnement du corps noir (BBR), les collisions froides et les décalages induits par le réseau optique. Pour atténuer ces effets, plusieurs stratégies sont étudiées, comme l’utilisation d’environnements cryogéniques pour contrôler le BBR, ou encore de nouvelles géométries de piégeage pour maîtriser la distribution et les interactions atomiques. Dans ce projet, nous proposons une nouvelle configuration d’OLC visant à caractériser les effets liés au BBR et à la densité atomique en dessous du niveau de 10^{-18}. Pour cela, nous avons développé une chambre scientifique en cuivre, placée dans une enceinte à vide primaire, afin de réduire les inhomogénéités de température autour des atomes à quelques dizaines de millikelvins. Le système comprend aussi un réseau optique 1D adaptable, dont le profil transverse est structuré avec des modes Laguerre-Gauss (LG_{0ell}), permettant d’augmenter le nombre de sites de piégeage tout en réduisant le nombre d’atomes par site. Nous avons réalisé des réseaux pour ell = 0 à 4 avec des profondeurs compatibles avec le fonctionnement de l’horloge. Des milliers d’atomes ont été piégés dans des réseaux de types TEM_{00}, LG_{01} et LG_{02}, et une spectroscopie d’horloge à basse résolution a été réalisée sur l’isotope bosonique ^{88}Sr, donnant des transitions d’environ 100 Hz de largeur. Afin d’étudier les effets des collisions froides, une seconde étape de refroidissement utilisant la transition intercombinaison ^1text{S}_0rightarrow^3text{P}_1 du strontium est prévue. Elle permettra d’augmenter la densité atomique, de mieux observer les effets de collision et de détecter les bandes latérales vibrationnelles. Ces mesures fourniront des informations sur l’anharmonicité des réseaux façonnés par les modes LG, et permettront de valider le modèle de décalage du réseau dans différentes conditions de piégeage. Enfin, le système d’horloge est encore en cours d’assemblage. Les efforts actuels portent sur l’intégration de la chambre d’interrogation dans l’environnement à vide primaire pour améliorer l’homogénéité thermique et réduire l’incertitude liée au BBR. En parallèle, l’instrumentation nécessaire à la spectroscopie haute résolution est en cours d’installation.
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.