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
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.
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.
Projets et financements
Publications-clés
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].
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].
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.