L'objet de la thèse est la construction et la caractérisation préliminaire d'une horloge atomique sur puce à atomes. La transition d'horloge est la transition micro-onde à deux photons entre les niveaux |F=1,m_F =–1> et |F=2, m_F =1> du ⁸⁷Rb. Les atomes sont piégés magnétiquement et refroidis à une température de quelques centaines de nanolkelvin, pouvant atteindre la température de condensation de Bose-Einstein. La spectroscopie Ramsey est effectuée à un champ B₀ = 3,23 G pour laquelle le déplacement Zeeman de la transition ne dépend du champ magnétique qu'au second ordre, ce qui permet de réduire la sensibilité de l'horloge aux fluctuations extérieures de champ magnétique. Le signal micro-onde de spectroscopie est couplé aux atomes à l'aide d'un guide d'onde coplanaire intégré à la puce ; l'ensemble du cycle d'horloge est donc effectué dans un volume réduit de (5 cm)³. Avec ce dispositif, une durée de cohérence supérieure à 15 s de la superposition cohérente des états d'horloge a été mesurée. Avec une durée de Ramsey de 3 s, la première évaluation de la stabilité de l'horloge donne 6×10^–12 à 1 s, limitée par le bruit technique du dispositif. L'objectif est d'atteindre une stabilité de l'ordre de 10^–13 à 1 s, meilleure que celle des horloges commerciales actuelles.

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Le transfert des fréquences ultra-stables entre laboratoires distants est requis par de nombreuses applications concernant la métrologie temps/fréquence, la physique fondamentale, les accélérateurs de particules et l'astrophysique. Cette thèse décrit le développement de liaisons optiques ultra-stables sur des distances de 86 km à 300 km. L'objectif à long terme est de développer des liens optiques de 1 000 km environ afin de relier les principaux instituts nationaux de métrologie en Europe.

Le lien optique est basé sur le transfert de la phase optique d'un laser ultra-stable de longueur d'onde 1 542 nm par une fibre optique du réseau de télécommunications. Pour cela ont été développés des lasers stabilisés sur cavité Fabry-Perot et sur fibre optique. L'instabilité relative des lasers stabilisés sur cavité est de l’ordre de 10^–15 pour un temps d'intégration de 1 s. Les lasers stabilisés sur fibre sont robustes, compacts, simples, accordables et leur bruit de fréquence est comparable à celui des lasers stabilisés sur cavité pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de hertz. Les liens optiques ont d'abord été démontrés sur 86 km et 172 km en utilisant des fibres dédiées reliant les laboratoires LNE-SYRTE et LPL. L'instabilité relative de fréquence obtenue était de l'ordre de 10^–19 pour des temps d'intégration de 104 s. Pour des distances plus grandes, le signal ultra-stable est transféré directement sur le réseau Internet en utilisant un canal de fréquence dédiée, par la technique de multiplexage en longueur d’ondes. Un lien multiplexé a ainsi été démontré sur une distance de 300 km, avec une instabilité relative de fréquence au même niveau qu’avec des fibres dédiées.

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Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d’équiper la nouvelle station sol de l'Agence spatiale européenne (ESA). Les performances requises sont une stabilité de fréquence σ_y(τ) ≤ 3×10⁻¹⁵ pour τ ∈ [1s ; 1000 s] et un bruit de phase σ_φ(1 Hz) égal à −93 dB·rad²·Hz^–1 pour une autonomie de deux ans. Cette référence de fréquence doit également posséder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO.

Elisa intègre, dans une boucle d’entretien, un résonateur saphir (Al₂O₃) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. À cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1×10⁹. Le mode opérationnel WGH_15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et aux publications. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10 GHz – D où D est un « intervalle de confiance » égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisamment éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l’écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d’usinage. D peut être compensé par l’intermédiaire d’un « Direct Digital Synthesizer » intégré dans la chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis.

Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d’atteindre une sélection modale performante.

Tous les éléments nécessaires à la construction d’Elisa sont analysés en détail. Une méthode originale de mesure de bruit d’amplitude des détecteurs quadratiques, l’étude de dispositifs électroniques de faible bruit, le principe d’une chaîne de synthèse sur la base d’un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, l’étude a été focalisée sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique.

Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l’ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3×10⁻¹⁵ a été mesurée pour τ ∈ [1s ; 1000 s]. Elle atteint 1,4×10⁻¹⁵ à t = 20 s. La mesure de bruit de phase montre σ_φ(1 Hz) = −98 dB·rad²·Hz^–1. La chaîne de synthèse permet le transfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4,5×10⁻¹⁵ place Elisa au meilleur niveau pour de tels oscillateurs.

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L'objectif du gravimètre absolu est de déterminer la valeur de l'accélération de pesanteur avec une incertitude relative de 10^–9 pour le projet métrologique de « balance du watt ». A cette fin une nouvelle enceinte à vide permettant l'évaluation des effets systématiques limitant a été développée. Le gravimètre a été rendu transportable et placé à côté de la balance du watt du LNE à Trappes.

Le principe du gravimètre repose sur des techniques d’interférométrie atomique, où un nuage d’atomes froids de ⁸⁷Rb en chute libre est manipulé au moyen de transitions à deux photons dites « Raman ». L'incertitude a été réduite sur l'ensemble des biais au-dessous de l'objectif fixé, excepté en ce qui concerne l’effet des aberrations du front d'onde des faisceaux lasers. Il est actuellement l'objet d’investigations et le laboratoire cherche désormais à contrôler le mieux possible la trajectoire des atomes.

Au cours de l'année 2010, le gravimètre atomique a participé à plusieurs comparaisons, notamment une comparaison internationale, avec d'autres gravimètres de références nationaux. Les valeurs de g obtenues sont en accord, mais des fluctuations de l'écart ont été relevées avec les autres gravimètres, liées en partie aux variations de l'effet d’aberration.

Trois nouvelles techniques de mesures d'interféro-métrie atomique ont été développées en parallèle. La première utilise un algorithme à trois coups qui rend la mesure robuste aux vibrations. La seconde consiste à diffracter les atomes simultanément au moyen des quatre champs présents dans l'enceinte à vide afin de doubler l’aire de l’interféromètre et donc sa sensibilité intrinsèque. Enfin, une pyramide creuse a été conçue et réalisée, qui permet de substituer aux différents lasers un unique large faisceau, afin de créer un gravimètre atomique compact transportable.

Les chaînes de réception de signaux satellitaires de navigation (GNSS), composées d’un récepteur, d’un câble d’antenne et d’une antenne, sont l'outil le plus utilisé lors de comparaisons d'horloges atomiques distantes nécessaires pour le calcul du temps atomique international (TAI). L’étalonnage de ces liens de temps, consistant à déterminer leur retard électrique lors de la propagation du signal au travers du système d’acquisition, est nécessaire afin de garantir leur exactitude et leur stabilité à long terme. Deux techniques d'étalonnage sont actuellement recensées : la méthode différentielle et la méthode en absolu. La technique différentielle consiste à comparer l’ensemble de la chaîne de réception à étalonner avec une chaîne de référence dont le retard est connu. Cette dernière circule de laboratoires en laboratoires afin que le BIPM puisse déterminer le délai interne des équipements opérationnels installés dans les laboratoires visités. La technique d’étalonnage dite « en absolu » consiste à déterminer indépendamment le retard électrique interne de chaque élément de la chaîne de réception en utilisant des signaux simulés permettant de s’affranchir des bruits liés à la diffusion de signaux satellitaires. Le CNES (Centre national d’études spatiales) développe cette technique depuis 2005.

Les travaux de cette thèse ont contribué au développement et à l'optimisation des méthodes d’étalonnage en absolu de chacun des éléments de la chaîne de réception afin de déterminer le retard global de la chaîne d’acquisition avec une incertitude inférieure à une nanoseconde. Cette méthode d’étalonnage a permis également de caractériser les performances de chacun des composants du système d’acquisition ainsi que la sensibilité thermique et hygrométrique des récepteurs.

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Cette thèse décrit la spectroscopie à haute résolution d’atomes de ⁸⁷Rb piégés magnétiquement en appliquant une transition à deux photons entre les états hyperfins |F = 1, m_F = –1> et |F = 2, m_F = 1> de l'état fondamental. L’étalement spatial du déplacement de la fréquence est minimisé en équilibrant les contributions des déplacements Zeeman et collisionnels menant à des longs temps de cohérence. L’expérience vise à démontrer la faisabilité d’un étalon de fréquence secondaire avec une stabilité relative de quelques 10^–13×τ^–1/2.

Après une description théorique de l’expérience, sa réalisation expérimentale, la stabilité à court terme obtenue est de 6,6×10^–13×τ^–1/2. L’étude se focalise sur la description du processus de déphasage de l’état en superposition cohérente. Dans le régime des collisions quantiques d’un gaz non dégénéré, l’étude explore un nouveau mécanisme d’auto-synchronisation, résultant de l’effet de rotation des spins identiques, qui contrebalance le déphasage de l’ensemble. L’observation du contraste des franges de Ramsey et de la fréquence de transition est réalisée dans le régime de forte synchronisation, où le déphasage est arrêté. Dans le régime de synchronisation intermédiaire, il résulte des résurgences caractéristiques du contraste.

Le mémoire présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) actuellement en cours de développement à l'Observatoire de Paris. L'objet de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre un atome et une surface massive. Les interactions recherchées sont du type électrodynamique quantique (effet Casimir-Polder) et gravitationnelle. Le travail a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l'expérience afin de prévoir les signaux et les performances de l'expérience. Ceci a permis l'optimisation du schéma expérimental pour la mesure à la fois de l'effet Casimir-Polder à une précision non encore atteinte ainsi que pour la recherche de déviations à la loi de Newton prédites par les théories d'unification.

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Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions, une horloge à réseau optique nécessite des puissances lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, au premier ordre, les perturbations induites par le piège. Le mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. Ainsi, il passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent étant mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui le rendent un excellent candidat pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique (PMO) via un système de détection assez sensible, ce qui a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans le PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement subDoppler des isotopes fermioniques. Il s’en suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure qui est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362 ± 5) nm. La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie suivi d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S₀ → 3P₀ dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope ¹⁹⁹Hg. Avec l'utilisation du système laser ultrastable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, il a été déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrant ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude.

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Université Paris 6 Pierre et Marie Curie – Physique

Thèse soutenue le 23 février 2012

L'objet de la thèse est la caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique d'atomes de césium contenue dans une cellule avec gaz tampon et l'étude des principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme. La particularité de l'horloge à piégeage cohérent de population développée est la combinaison de deux techniques originales : utilisation d'un schéma d'excitation en double-Λ et interrogation pulsée. Cela permet d'obtenir un signal étroit, une grande amplitude et des déplacements de fréquence liés à l'intensité laser réduits. La stabilité de fréquence à moyen-long terme des horloges à cellule est généralement limitée par les déplacements induits par les collisions avec le gaz tampon et par des effets liés à l'intensité laser. Une partie importante du travail réalisé est consacrée à l'étude des déplacements collisionnels en présence de gaz tampon (néon, azote, et argon) et à leur dépendance thermique. Les valeurs des coefficients de la dépendance thermique, mal connues ou inconnues jusqu'à présent, ont été établies, ce qui a permis de réaliser une cellule optimale contenant un mélange de gaz tampon ayant une sensibilité thermique nulle autour de température de fonctionnement. Suite à l'étude de l'amplitude du signal et des temps de relaxation, les valeurs optimales des paramètres de fonctionnement en horloge (séquence d'interrogation, champ magnétique, la température de la cellule, pression du mélange, etc.) ont été déterminées pour cette cellule. L'étude des effets liés à l'intensité laser a permis de déterminer les paramètres sensibles (rapport des intensités laser, température) et de mettre en place des stabilisations nécessaires pour les réduire. Finalement, la stabilité de fréquence à moyen-long terme a été améliorée d'un facteur 40 pour attendre 2,5×10^–14 à 1 h en valeur relative.

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La technique TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) a démontré des performances remarquables par sa contribution dans l’organisation du TAI/UTC, en termes de stabilité des liens micro-ondes et d’incertitude combinée sur l’écart entre [UTC-UTC(k)]. Cependant, l’étroitesse de la bande passante des codes utilisés ne permet pas la comparaison à moins d’un jour des étalons primaires de fréquence, et le recours à l’utilisation de la phase des porteuses est une piste privilégiée. Le travail de la thèse a consisté à étudier et développer la méthode two-way phase, choisie selon un ensemble de critères cohérents comme la disponibilité et la configuration adaptée de deux stations terriennes, la distribution adaptée des signaux d’horloges de hautes performances, la disposition d’un simulateur de satellite caractérisé et l’utilisation d’une même bande de fréquence satellite. La technique utilisée s’appuie simultanément sur des mesures two-way entre stations distantes et sur des mesures de ranging effectuées par chaque station, l’ensemble étant basé sur le principe de propagation liée à la vitesse de phase. De plus, une analyse expérimentale par le code (et par la phase) est effectuée et des solutions efficaces conduisant à la réduction du bruit des liens sont proposées. Les principaux résultats de mesures obtenus par la mise en œuvre de cette technique au laboratoire montrent une stabilité de fréquence de 1×10^–12 à 1 s et de de 3×10^–14 à 100 s, avec deux stations alimentées par un même maser à hydrogène actif de très hautes performances. Ce travail s’est achevé par la contribution dans l’application de la technique de transfert de temps two-way sur un lien fibré long de 540 km en collaboration avec le LPL, révélant des résultats très prometteurs.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00831596/document