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ETUDES DE TRANSITIONS ATOMIQUES PERMISES ET INTERDITES PAR SPECTROSCOPIE LASER EN VUE DUNE APPLICATION AUX HORLOGES OPTIQUES Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette.

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1 ETUDES DE TRANSITIONS ATOMIQUES PERMISES ET INTERDITES PAR SPECTROSCOPIE LASER EN VUE DUNE APPLICATION AUX HORLOGES OPTIQUES Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique 1

2 En mémoire de Norman Ramsey décédé le 04 novembre 2011 The Nobel Prize in Physics 1989 was divided, one half awarded to Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks. … 2

3 Atomes Molécules 2005 – 2014: Spectroscopie des fréquences micro-ondes (Horloge 133 Cs) Spectroscopie des fréquences optiques (Horloge 87/88 Sr) Gaz quantiques dégénérés (BEC 52 Cr) Sources laser non-linéaires (OPOs) Spectroscopie moléculaire IR et instrumentation laser (O 3 ) Nuage datomes froids de 87 Sr Liquide de O 3 3

4 Plan de lexposé Fonctionnement dune horloge atomique Retour sur le césium 133 Cs: une résonance permise Fermions/Bosons pour une horloge optique ….. Le strontium fermionique 87 Sr: une résonance faiblement permise Le strontium bosonique 88 Sr: une résonance interdite Conclusions et perspectives en physique atomique Mon projet de recherche en physique moléculaire 4

5 Fonctionnement dune horloge atomique Cavité électromagnétique ou laser méthode dinterrogation système à 2 niveaux dénergie avec un atome préparé dans un état initial réaliser la transition dhorloge pour avoir une réponse atomique 5

6 Les résonances atomiques permises 6

7 Retour sur le césium 133 Cs I. Structure fine, hyperfine et magnétique 1 électron de valence 7 Influence de B ?

8 Retour sur le césium 133 Cs II. Formule de Breit-Rabi de létat fondamental 2 S 1/2 I. RabiG. Breit Zeeman quadratique + - 8

9 CGPM 1967: « La seconde est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de létat fondamental de latome de césium 133 ». Aujourdhui réalisée avec une exactitude de quelques A. Clairon Fontaine atomique de césium = 0.9 Hz Q = Retour sur le césium 133 Cs III. Létalon de fréquence micro-onde J. Zacharias Double passage dans une cavité électromagnétique système à 2 niveaux dénergie avec un atome préparé dans un état initial réponse atomique 9

10 Pourquoi remplacer un alcalin par un alcalino-terreux ? Alcalino-terreux ( 87 Sr): Spin nucléaire et J=0 Température Doppler et sub-Doppler Longueur donde « magique » dans le visible + régime Lamb-Dicke temps dinterrogation très long sans perturbation de la transition dhorloge Facteur de qualité élevé Alcalino-terreux ( 87 Sr): Spin nucléaire et J=0 Température Doppler et sub-Doppler Longueur donde « magique » dans le visible + régime Lamb-Dicke temps dinterrogation très long sans perturbation de la transition dhorloge Facteur de qualité élevé Alcalin ( 133 Cs): Spin électronique J=1/2 + spin nucléaire Température Doppler Géométrie de type fontaine temps dinterrogation limité Facteur de qualité limité Alcalin ( 133 Cs): Spin électronique J=1/2 + spin nucléaire Température Doppler Géométrie de type fontaine temps dinterrogation limité Facteur de qualité limité Aspect fondamental: la structure magnétique ! Déterminer la sensibilité des niveaux atomiques de lhorloge au champ magnétique directeur: 133 Cs connu depuis 1931, 87 Sr non maîtrisé en Hz à 10 GHz 10 mHz à GHz 87 Sr : I = 9/2 Interaction avec le spin nucléaire entre 3 P 0 et 3 P 1 : transition dhorloge (J=0 J=0) faiblement permise type dipolaire électrique Largeur 1 mHz Abondance isotopique 10% 88 Sr : I = 0 Pas dinteraction avec le spin nucléaire entre 3 P 0 et 3 P 1 : transition dhorloge interdite à 1 photon mais possible E1M1 Largeur << 1 mHz Abondance isotopique 90% 10

11 Le strontium fermionique 87 Sr I. Structure fine, hyperfine et magnétique 2 électrons de valence 11 Influence de B ? Transition dhorloge

12 Le strontium fermionique 87 Sr II.1 Couplage spin-orbite Couplage spin-orbite: Mesure expérimentale des durées de vie: 1S01S0 1P1 1P1 3P13P1 3P03P0 La transition à 689 nm est activée par le couplage entre 1 P 1 et 3 P 1 12

13 Le strontium fermionique 87 Sr II.2 Influence du spin nucléaire Influence du spin nucléaire: Estimation de la durée de vie de létat 3 P 0 : 1S01S0 1P1 1P1 3P03P0 La transition à 698 nm est activée par le couplage hyperfin entre 3 P 0, 3 P 1 et 1 P 1 13 Mesures expérimentales des constantes de structure hyperfine: 3P13P1 (F=I=9/2)

14 Le strontium fermionique 87 Sr Zeeman quadratique 14 Facteur de Landé différentiel 14

15 Polarisation avec 0.58 G Polarisation +/- avec 0.64 G Ambiguité de signe Besoin dune calibration du champ magnétique g est directement proportionnel à lécart énergétique entre transitions adjacentes Le strontium fermionique 87 Sr IV. Spectroscopie laser des états magnétique s SYRTE (2007) JILA (2007) 15

16 Le strontium fermionique 87 Sr V.1 Habillage du spin nucléaire par un champ RF 16

17 Le strontium fermionique 87 Sr V.2 Le champ magnétique « magique » 17

18 Les résonances atomiques interdites 18

19 1S01S0 1P1 1P1 3P03P0 3P13P1 3P03P0 1S01S0 Plus de mélange hyperfin avec 3 P 1 ! transition dhorloge interdite à 1 photon 698 nm ( 0 ) 1S01S0 1P1 1P1 3P13P1 3P03P0 461 nm 5 THz 1354 nm ? Le strontium bosonique 88 Sr I. Activer la transition interdite nm (E1) 1354 nm (M1)

20 Le strontium bosonique 88 Sr II.1 Spectroscopie à 2 photons par résonance noire Alcalin Alcalino-Terreux 1 2 Pour minimiser le déplacement de fréquence de lhorloge au niveau relatif de le temps de formation de la résonance est de lordre de 160s ! 1S01S0 1P1 1P1 3P03P0 (élargissement radiatif) ? Temps de préparation 20 Déplacement de fréquence Résonance noire

21 Préparation atomique rapide Impulsion laser de durée variable Détection de la fraction atomique dans 1 S 0 Evolution libre Le strontium bosonique 88 Sr II.2 Spectroscopie impulsionnelle à 2 photons 1S01S0 1P1 1P1 3P03P nm 461 nm Franges EIT/Raman 1S0 1S0 Fraction atomique Franges de résonance noire 1P1 1P1 Fraction atomique = 1- 5s m << 5 s = 1-5s m 0.5s

22 Le strontium bosonique 88 Sr II.3 Compenser les déplacements lumineux 1S01S0 1P1 1P1 3P03P S0 1S0 22 Déplacement de fréquence (mHz) Contrôle du déphasage accumulé au cours de lexcitation à 2 photons Transfert de population (%) Déplacement de fréquence (mHz)

23 Le strontium bosonique 88 Sr III. Compensation Hyper-EIT/Raman Déplacement de fréquence (mHz) Transfert de population (%) 1S0 1S Applicable à la spectroscopie induite par champ magnétique proposée par le NIST - Interférométrie atomique Disparition de lémission spontanée correction de fréquence pilotée par laire des impulsions de préparation et de détection

24 Le strontium bosonique 88 Sr 1S01S0 1P1 1P1 3P03P0 24

25 Le strontium bosonique 88 Sr IV. Le montage expérimental des faisceaux EIT/Raman Spectre expérimental du battement de fréquence asservi sur la cavité de pré-stabilisation 25 1 er démonstration dun asservissement de fréquence entre deux sources laser séparées de 430 THz: besoin dun laser dhorloge ultra-stable A partir de deux sources laser stabilisées sur une référence commune ( peigne de fréquences optiques )

26 Conclusions et perspectives 171 Yb I=1/2 88 Sr et 174 Yb I=0 Activation par champ statique ! Activation artificielle (phase de Berry) ? 2007 Transition dhorloge dans un champ RF Transition dhorloge dans un double champ RF ? 171 Yb I=1/ Sr et 174 Yb I= E 1S01S0 3P03P0 1S01S0 3P03P0

27 Le projet de recherche en physique moléculaire 27

28 Lozone O 3 Spectres moléculaires des isotopologues de lozone vers 10 m Positions en nombre donde des raies moléculaires de lozone 676 et 666 par rapport aux données HITRAN 2008 et GEISA Gamme spectrale retenue (4 isotopologues accessibles)

29 Absorption saturée sur 16 O 16 O 16 O 29 Diode à sel de Plomb refroidie par azote liquide ( 10 MHz) Diode QCL refroidie par élément Peltier ( < 3 MHz) Largeur Doppler = 55 MHz (T=296K, P=40mTorr, L=10cm) Largeur sub-Doppler 3 MHz Caractérisations de la fonction dappareil de la diode laser QCL P 0.5 mW P 35 mW Facteur de qualité moléculaire Q = 10 6 Fluctuation relative de fréquence Fluctuation relative dintensité 10 -3

30 Spectromètre laser asservi sur une référence de fréquence en laboratoire 30 Balayage du taux de répétition f r avec (m-n) 10 5 f r = 1MHz 10 GHz (3.3 cm -1 ) F QCL = RF + (m-n)f r Très haute résolution spectrale en nombre donde < cm -1 ( ) 1000 fois plus stable que les diodes asservies sur interféromètres stabilisés par He:Ne Très haute résolution spectrale en nombre donde < cm -1 ( ) 1000 fois plus stable que les diodes asservies sur interféromètres stabilisés par He:Ne

31 31 MERCI !

32 Norman Ramsey Isidore Rabi Gregory Breit Jerold Zaccharias Charles Townes 32


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