Horloges atomiques

Les horloges atomiques ou les étalons de fréquence comptent parmi les instruments les plus précis existant aujourd’hui et sont des éléments indispensables pour de nombreux services essentiels de la vie moderne, tels que

  • le chronométrage et les échelles de temps officiels, légaux et nationaux
  • la navigation par satellite (GPS, Galileo, etc.)
  • les réseaux de télécommunications, par exemple l’internet
  • les communications mobiles (systèmes de téléphonie cellulaire)
  • les réseaux de distribution d’électricité
  • Les transactions financières et les centres de données.

Nos recherches sont motivées par le besoin persistant d’améliorer la stabilité de l’horloge et de réaliser des horloges plus petites (réduction de la taille, du poids et de la consommation d’énergie) tout en conservant la précision supérieure du chronométrage atomique. Une curiosité générale pour le développement de nouvelles approches quantiques et d’ingénierie vers de nouveaux types d’horloges atomiques complète la base de notre recherche.

GNSS-grade Space Atomic Frequency Standards
Currents Status and Ongoing Developments

Les horloges atomiques à cellules de vapeur de Rb pompées par laser sont d’excellents candidats pour des références de fréquence très compactes (quelques litres de volume) à bord des satellites des systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS, tels que GPS, GALILEO, etc.) répondant aux exigences de stabilité de fréquence de < 1×10-14 à l’échelle de temps d’un jour. Nos études sur ce type d’horloges se concentrent sur le fonctionnement des horloges utilisant le schéma de double résonance pompé par laser dans les modes de fonctionnement à ondes continues (cw) et à impulsions (POP).

À cette fin, nous développons et étudions les principaux éléments constitutifs de l’horloge, tels que les modules de diodes laser stabilisées et les cavités micro-ondes compactes, et nous étudions les limites de stabilité physique des horloges résultantes, y compris leur sensibilité à divers paramètres opérationnels ou environnementaux [1, 2, 3]. Cette analyse permet de développer de nouvelles stratégies pour la réalisation de nouvelles horloges atomiques compactes à cellule Rb avec des performances de stabilité améliorées, en particulier pour les futures générations de systèmes GNSS.

Figure 1-1 : Prototype d’horloge atomique à cellule Rb pompée par laser pour des applications spatiales.
Projet financé par l’Agence spatiale européenne (ESA), contrat ESTEC 19392/05.

 

Figure 1-2 : Franges de Ramsey pour une horloge atomique à cellule Rb fonctionnant en mode POP pulsé [1].

Figure 1-3 : Stabilité de l’horloge POP pulsée de la cellule Rb [1].

Figure 1-4 : cavité micro-ondes compacte pour l’horloge POP, fabriquée par impression 3D [4]. À gauche : cavité en aluminium ; à droite : cavité à base de polymère.

 

Projets et financements

  • Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)
  • EMRP M-Clocks project
  • Agence spatiale européenne ESA (ESTEC contracts 19392, 21504 and 4000131046)
  • Swiss Space Office

 

Publications-clés

  1. N. Almat, M. Gharavipour, W. Moreno, F. Gruet, C. Affolderbach, G. Mileti, Long-Term Stability Analysis Toward <10-14 Level for a Highly Compact POP Rb Cell Atomic Clock, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 67(1), 207 – 216 (2020). doi:10.1109/TUFFC.2019.2940903
  2. S. Kang, M. Gharavipour, C. Affolderbach, G. Mileti, “Stability limitations from optical detection in Ramsey-type vapour-cell atomic clocks”, Electronics Letters 51, 1767-1769 (2015). https://doi.org/10.1049/el.2015.1902
  3. W. Moreno, M. Pellaton, C. Affolderbach, N. Almat, M. Gharavipour, F. Gruet, G. Mileti, Impact of microwave-field inhomogeneity in an alkali vapour cell using Ramsey double-resonance spectroscopy, Quantum Electronics 49(3), 293 – 297 (2019). doi:10.1070/QEL16883
  4. Ch. Affolderbach, W. Moreno, A. E. Ivanov, T. Debogovic, M. Pellaton, A. K. Skrivervik, E. de Rijk, G. Mileti, Study of Additive Manufactured Microwave Cavities for Pulsed Optically Pumped Atomic Clock Applications, Applied Physics Letters 112, 113502 (2018). doi:10.1109/TUFFC.2018.2793419 Journal’s Editor’s Pick

Les horloges atomiques miniatures basées sur des cellules à vapeur alcaline microfabriquées présentent un grand intérêt pour diverses applications mobiles et à faible consommation d’énergie. Nos études se concentrent sur la mise en œuvre du schéma de double résonance (DR) (contrairement au schéma de piégeage cohérent de la population CPT, largement utilisé) pour les horloges atomiques miniatures, en vue d’améliorer les performances de stabilité de l’horloge. Le développement de résonateurs micro-ondes miniaturisés, appelés résonateurs à micro-boucles (µ-LGR) [3], est un ingrédient clé pour ces études et développements. Nous avons pu montrer que le schéma microcellule-DR peut améliorer la stabilité des horloges à 2×10-11 à 1 seconde et ≈ 4×10-12 à un jour [1], ce qui va au-delà des performances de stabilité typiques des horloges miniatures existantes basées sur le CPT. Nous avons également démontré la mise en œuvre de l’interrogation DR pulsée dans une microcellule à l’aide du schéma µ-POP et avons pu montrer que cette approche présente un excellent potentiel d’amélioration de la stabilité de l’horloge à un niveau bien inférieur à 10-12 à un jour [2].

Afin de comprendre le comportement à long terme des horloges atomiques miniatures, nous avons démontré l’impact de la perméation des gaz à travers les parois cellulaires sur le vieillissement à long terme de la fréquence de ces horloges [4].

Figure 2-1 : Cellule Rb microfabriquée à l’intérieur d’un résonateur micro-ondes miniature. [3]
Figure 2-2: Démonstrateur d’horloge atomique miniature ESA AMICC project. [1]

Projets et collaborations

Publications-clés

  1. Ch. Affolderbach, M. Pellaton, Y. Su, W. Moreno, E. Batori, M. Violetti, A. K. Skrivervik, G. Mileti, “LEMAC: LTF-EPFL Miniature Atomic Clock Demonstrator Performance Evaluation”, Proceedings of the 37th European Frequency and Time Forum, Neuchâtel, Switzerland, June 25-27 2024, pp. 15-18 (2024). https://www.eftf.org/previous-meetings
  2. E. Batori, C. Affolderbach, M. Pellaton, F. Gruet, M. Violetti, Y. Su, A. K. Skrivervik, G. Mileti, “μPOP Clock: A Microcell Atomic Clock Based on a Double-Resonance Ramsey Scheme”, Physical Review Applied 18, 054039 (2022). doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.054039
  3. Y. Su, M. Pellaton, C Affolderbach, G. Mileti A. Skrivervik, “Mode Suppression and Homogeneous Field Bandwidth Enhancement of a Tuning-Free Micro-Loop-Gap Resonator Using FR4 for Chip-Scale Rubidium Clock”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (2023), in press. doi.org/10.1109/TMTT.2023.3326482
  4. S. Abdullah, C. Affolderbach, F. Gruet, G. Mileti: “Aging studies on micro-fabricated alkali buffer-gas cells for miniature atomic clocks”, Applied Physics Letters 106, 163505 (2015). doi.org/10.1063/1.4919009

Les horloges atomiques basées sur des échantillons atomiques refroidis par laser (par exemple les horloges à fontaine atomique) ont l’avantage d’offrir une précision de leur fréquence atomique (par rapport à la définition de la seconde SI) qui ne peut pas être fournie par les horloges atomiques à cellule de vapeur, mais au prix d’une horloge beaucoup plus grande et donc plus gourmande en énergie.

En collaboration avec l’Université de Strathclyde (prof. E. Riis), nous explorons les possibilités de réaliser une horloge à atomes froids très compacte, dans laquelle les atomes froids sont produits directement à l’intérieur de la cavité micro-ondes de l’horloge, en utilisant un seul faisceau laser et un réseau de diffraction (approche de l’horloge G-MOT) [2].

Les premiers prototypes de cavités micro-ondes miniaturisées conçues sur mesure pour l’horloge à atomes froids GMOT ont été réalisés en utilisant l’impression 3D de l’aluminium [1]. Ces prototypes de cavité présentent un bon couplage micro-ondes, des facteurs Q modérément élevés autour de ≈350 et une faible sensibilité à la température de la résonance de la cavité, ce qui réduit les effets de traction de la cavité. En utilisant l’approche GMOT, des atomes froids ont pu être créés avec succès à l’intérieur de la cavité et le premier fonctionnement d’une horloge à atomes froids a été démontré [2,3].

Figure 3-1: schémas de l’installation de la cavité d’horloge GMOT, montrant le refroidissement du laser et le piégeage à l’intérieur de la cavité micro-ondes. [1]

Figure 3-2: Partie centrale de la cavité micro-ondes compacte pour l’horloge GMOT, réalisée par impression 3D en aluminium.

Publications-clés

  1. E. Batori, A. Bregazzi, B. Lewis, P. F. Griffin, E. Riis, G. Mileti, C. Affolderbach, “An additive-manufactured microwave cavity for a compact cold-atom clock”, Journal of Applied Physics 133 (22), 224401 (2023). DOI: 10.1063/5.0151207
  2. A. Bregazzi, E. Batori, B. Lewis, C. Affolderbach, G. Mileti, E. Riis, P. F. Griffin, “A cold-atom Ramsey clock with a low volume physics package”, Sci. Rep. 14, 931 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-51418-8
  3. A. Bregazzi, E. Batori, B. Lewis, C. Affolderbach, G. Mileti, P. Griffin, E. Riis, “A compact cold atom cavity clock”, J. Phys.: Conf. Ser. 2889, 012034 (2024). DOI 10.1088/1742-6596/2889/1/012034

Dans le cadre de nos recherches sur les horloges atomiques, nous étudions et développons plusieurs aspects des technologies d’appui aux horloges, qui vont de la fabrication en interne de cellules à vapeur de Rb à la mise au point de nouveaux résonateurs à micro-ondes (de l’échelle du mm à celle du cm), en passant par les systèmes laser stabilisés et la technologie laser.

Pour ces études, le groupe exploite une installation interne de remplissage de cellules, des installations de conception et de test de résonateurs micro-ondes et plusieurs bancs d’essai pour la caractérisation spectrale des lasers et les études sur le vieillissement des diodes laser.

N’hésitez pas à nous contacter si vous souhaitez collaborer sur l’un de ces sujets.