Étude des performances ultimes d’une horloge compacte à atomes refroidis par laser

Abstract

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.