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1 Étude des performances ultimes dune horloge compacte à atomes froids : Optimisation de la stabilité court terme Soutenance de thèse de doctorat de luniversité

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Présentation au sujet: "1 Étude des performances ultimes dune horloge compacte à atomes froids : Optimisation de la stabilité court terme Soutenance de thèse de doctorat de luniversité"— Transcription de la présentation:

1 1 Étude des performances ultimes dune horloge compacte à atomes froids : Optimisation de la stabilité court terme Soutenance de thèse de doctorat de luniversité Pierre & Marie Curie présentée par François-Xavier ESNAULT

2 2 Plan de lexposé 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

3 3 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

4 4 La mesure de la probabilité de transition permet de discriminer les fluctuations de fréquence La résonance est dautant plus étroite que le temps dinteraction T int est grand Principe de fonctionnement dun étalon de fréquence Signal utile ν(t) OSCILLATEUR LOCAL (quartz, laser, …) Délivrer un signal utile dont la fréquence est très stable et connue en absolu. Ce signal sert de référence de fréquence pour différentes applications. But : Asservir la fréquence de loscillateur sur une résonance atomique. Principe : Horloges atomiques : SERVO Corrections de fréquence Résonateur atomique at Δν ~ 1/T int h at |e> |f> P |f> |e>

5 5 Exactitude : Lexactitude de lhorloge est lincertitude sur lévaluation de ε. Le signal dhorloge : ν(t) = ν at (1 + ε + y(t) ) ν at : Fréquence de transition de latome non perturbé (Cs : Hz) ν(t) t ν at ν at (1 + ε) Une mesure relative à près revient à mesurer la distance Terre-Lune avec une erreur de lordre de lépaisseur dun cheveu !!! Ordre de grandeur Evaluation des performances Stabilité y(t) : Fluctuations relative de fréquence. Caractérisée par lécart-type dAllan σ y (τ). ( σ y (1s) ~ ) σ y (τ) τ Ecart type dAllan σ y (τ) = σ y (1s). τ s 10 4 s Bruit blanc ±σ±σ

6 6 Systèmes embarqués Performances ultimes Les applications Horloges atomiques Relativité & gravitation Navigation des sondes spatiales (DSN) Satellites de positionnement (GPS, GALILEO) Echelles de temps Physique atomique & moléculaire Physique fondamentale VLBI : astrométrie & géodésie Navigation Inertielle Synchro. télécom Horloges de laboratoireHorloges compactes

7 7 RAFS Sym. 5071A P H-Maser OSCC 1 – σ y (1s) 1 L Volume 10 3 L 50 L Quelques horloges atomiques actuelles NASA - Hg HORACE ATOMES FROIDS Faible vitesse résiduelle Faible largeur de raie Contrôle des effets long terme Horloges Optique < Fontaines atomiques – PHARAO GALILEO actuel GALILEO futur

8 8 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

9 9 Le projet HORACE HORACE = HOrloge à Refroidissement dAtomes en CEllule Réalisation de la seconde SI Transition dhorloge à GHz Refroidissement laser possible 133 Cs : Objectifs : Stabilité court terme < τ -1/2 Stabilité long terme ~ Exactitude < Applications systèmes embarqués Contraintes de volume

10 10 HORACE : Une horloge compacte à atomes froids Idée : HORACE Fontaine Interrogation Préparation Capture Détection 1.5 m Séquence spatiale Volume ~ 100 L Tc ~ 1 s Séquence temporelle Unicité de lieu Volume ~ 1 L Tc ~ 0.1 s 0.1 m Réaliser toutes les interactions dans la cavité micro-onde Adopter un fonctionnement séquentiel La cavité doit répondre aux besoins de chaque phase du cycle dhorloge

11 11 Comment refroidir les atomes dans la cavité ? Facilité de mise en œuvre (fibres optiques) Accès optiques très réduits bon facteur de surtension micro-onde Avantages : Idée : Refroidir les atomes à 3D grâce à un champ lumineux isotrope obtenu par réflexions et/ou diffusions multiples sur les parois de la cavité micro-onde. Mélasse optique standard Accès optiques importants ( ~ 1 cm) incompatible avec cavité micro-onde HORACE = Unité de lieu des interactions + refroidissement isotrope La cavité micro-onde joue le rôle dune sphère intégrante. Refroidissement en lumière isotrope Fibres optiques cavité

12 12 t Interrogation Recapture + refroidissement Détection Mesure par absorption Refroidissement Refroidissement isotrope et préparation Chargement à partir dune vapeur de Cs Détection Prep. Recapture des atomes froids Une fraction du nuage est recapturée Réduit la durée du chargement HORACE : Un cycle dhorloge Préparation par pompage optique Calcul de la probabilité de transition Correction de la fréquence de loscillateur Séquence de Ramsey Limitée à 50 ms sur Terre Interrogation Micro-onde cavité

13 13 Le dispositif expérimental La cavité micro-onde Cavité micro-onde en cuivre OFHC Géométrie sphérique, mode TEM 011 Modélisation FEM (IRCOM) Facteur de surtension µo Q ~ 10 4 Φ=4 cm Protection Cuivre/Cs nécessaire Commodité expérimentale Transparent à 852 nm, stable Le ballon de quartz Polissage au niveau de 50 nm RMS Réflectivité de 96 % à 852 nm Décale la résonance de qq 100 MHz Hublot pour faisceau de détection

14 14 Le dispositif expérimental Lenceinte à vide Enceinte en titane TA6V Soudure laser, Colles UHV 90 mm 200 mm 300 mm Zone horloge 2 L Temps de vol diagnostics Antennes micro-onde Fibres multimodes (1,1,1) Pompe ionique Ampoule Cs Faisceau de détection

15 15 90 cm Le banc optique à 852 nm Laser maître LCE P = 20 mW, Δν =100 KHz Détection 4 -> 5 Dépompeur 4 -> 4 Injection esclave Laser esclave FP P = 45 mW Refroidissement 4 -> 5 Δ = +2 Γ Γ Laser DBR P = 5 mW, Δν = 5 MHz Repompeur 3 -> 4 Ce banc optique, destiné à létude au laboratoire, peut être considérablement simplifié (Réalisation dun banc compact)

16 16 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

17 17 Comment optimiser la stabilité ? Stabilité de fréquence de lhorloge Bruit de loscillateur Négligeable avec OCRS Bruits instrumentaux Rendus négligeables Chargement x Collisions Compromis entre T cool,T int, τ charg Séquence optimale : Le niveau de stabilité ne dépend que de N max Optimisation de la phase de refroidissement t T int T cool T det Bruits atomiques Limite ultime :

18 18 Optimisation du nombre datomes Refroidissement avec les faisceaux isotropes : Chargement rapide ( τ ~80ms) car T int est limité par la gravité Lumière injectée : P =45 mW, Δ = -2 Г Nombre datomes N det dans m F =0, mesuré par absorption Jusquà atomes froids dans m F =0 avec les faisceaux isotropes

19 19 Optimisation du nombre datomes Utilisation du faisceau de détection pendant le refroidissement Paramètre peu critique sur Terre car T int < 50ms Mesure par temps de vol : T° ~ 35 µK On atteint des températures de 5 µK avec une rampe dintensité de quelques ms Température Gain de 2.5 sur N det ~ 10 7 atomes refroidis dans m F =0 Compense les fuites lumineuses sur laxe Assiste le refroidissement Faisceau : 120 µW, 0 Г

20 20 La recapture Principe : Le fonctionnement temporel permet de recycler les atomes froids. On augmente lefficacité du chargement Nb atomes temps cycle 1 cycle 2 cycle 3 cycle 4 Etc… R(T int ) traduit la fraction du nuage restant dans la zone de capture recouvrement géométrique : gravité (Terre), température (espace) pertes directes (collisions, sélection éventuelle, détection) En régime stationnaire : La recapture est dautant plus efficace que T cool et T int sont courts La recapture décale loptimum du compromis vers les séquences courtes

21 21 La recapture Gain de 1.6 sur lefficacité du chargement de la mélasse pour T int =30ms

22 22 Conclusion sur le refroidissement datomes Aspects expérimentaux La géométrie isotrope montre une grande simplicité de mise en oeuvre Faible puissance requise (45 mW) Inconvénient Distribution spatiale du nuage mal connue (forme & fluctuations) Le nombre datomes froids Loptimisation a permis de gagner un facteur 4 sur N det (2.5x1.6) Sans complexification de la séquence ni du dispositif Nmax ~ 10 7 atomes refroidis dans m F =0 Ndet = atomes dans m F =0 pour (T cool, T int ) = (40 ms, 30 ms) La température Avec intensité et désaccord fixe : T°=35 µK Possibilité datteindre 5 µK avec un contrôle dintensité

23 23 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection & optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

24 24 Etude de la séquence de détection But : Détecter le signal atomique avec un minimum de bruit Réduction des bruits instrumentaux Choix de la séquence optimale afin datteindre le régime où Etude des fluctuations du nombre datomes froids

25 25 Réjection du bruit dintensité du laser Détection par absorption : < cycle à cycle Idées : Normaliser I det par I 0 en temps réel Utiliser un faisceau faiblement saturant Méthode très simple La contribution finale est au niveau de , palier au bruit de photons Sensibilité au bruit dintensité Principal bruit instrumental pour HORACE I0I0 2 Typ. Signal atomique = I 0 On veut un RSB final = 10 3 λ /4 I det I0I0

26 26 Comment atteindre la limite ultime en ? Mesure directe de la probabilité de transition Totale immunité aux fluctuations du nombre datomes (~1%) RSB ~ 100 quelques milliers Sur les fontaines atomiques on utilise une séquence de normalisation : Sur HORACE cette normalisation présente peu dintérêt : 4 interactions optiques, 1 micro-onde Durée ~ 10ms non négligeable Nuit aux processus de recapture Malgré un refroidissement peu contrôlé, les fluctuations dun cycle à lautre du nombre datomes froids sont en. Le nombre datomes froids est déjà très stable !

27 27 La stabilité du nombre datomes froids Mesure : Évaluation des fluctuations cycle à cycle du nombre datomes froids. Les fluctuations de N det sont limitées par le bruit de grenaille atomique Puissance laser non asservie Fibres multimodes Équilibrage de puissance (±20%) Pas de contrôle de polarisation Observation du bruit de grenaille pour N det > Refroidissement isotrope stable RSB ~ 1000 pour N det =qq 10 6 Obtenu sans normalisation

28 28 La stabilité du nombre datomes froids Mesure : Évaluation des fluctuations relatives du nombre datomes dans le temps clim Fluctuations au niveau de 1% sur 3h Réalisé sans asservissement Modélisation du comportement de lhorloge avec les variations observées du signal N det mesuré. 20 Tc Les fluctuations de N det ont un impact négligeable sur la stabilité long terme (hors déplacement collisionnel) Simulations : La méthode dasservissement réjecte les fluctuations lentes devant Tc

29 29 Une séquence de détection très simple Détection très simple et rapide : une unique impulsion de 2 ms RSB limité par le bruit de grenaille (~1000 pour atomes détectés ) Mesure de la population |F=4> La normalisation nest pas nécessaire pour HORACE le nombre datomes est très stable dun cycle à lautre bon RSB Les fluctuations long terme sont réjectées à un niveau non limitant Normalisation

30 30 Les franges de Ramsey Tcycle = 80 ms Tcool = 40 ms Tint = 30 ms Δν = 18 Hz Contraste ~ 95 % N det ~ RSB ~ 900 Séquence typique

31 31 Sources de 1 cycle Bruits instrumentaux Électronique + Acquisition Fréquence du laser Intensité du laser Bruits atomiques Projection quantique Bruit de grenaille Total Stabilité attendue avec Δν = 18 Hz et Tc=80ms τ -1/2 Bilan de bruit

32 32 Résultat : jusquà à sec Pas de stabilisation des effets long terme (thermique) ,2 Meilleure stabilité obtenue Oscillateur local : OCRS + H-Maser

33 33 Dégradation de la stabilité par loscillateur local Seuls les oscillateurs à quartz sont utilisables pour les applications embarquées Leur bruit de fréquence nest pas négligeable HORACE a un fonctionnement cyclique. (Rapport cyclique=T int /T cycle =0.4) La stabilité est dégradée par échantillonnage du bruit du quartz Les coefficients g n décroissent rapidement Quartz optimisé vers la fréquence de cycle f cycle HORACE f cycle =12 Hz, R c =0.4 Quartz Wenzel Blue Top Lutilisation dun oscillateur à quartz dégrade peu la stabilité dHORACE : Cryo / Quartz sec σ y.OL ~ τ -1/2

34 34 1.Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques 2.Lhorloge HORACE : concepts et dispositif expérimental 3.Etude de la séquence de refroidissement 4.Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme 5.Conclusion & Perspectives

35 35 Conclusions et perspectives Stabilité court terme de τ -1/2 Comparable aux meilleurs étalons primaires : Environ 10x meilleure que les horloges embarquées actuelles Dégradation mineure avec un oscillateur à quartz Séquence et dispositif très simple Efficacité et robustesse du refroidissement isotrope / recapture Détection simple à une impulsion RSB limité par le bruit de grenaille atomique Stabilité de s Résultat préliminaire encourageant Aucune stabilisation thermique pour le moment JP τ -1/2 Fontaine + quartz τ -1/2 Etude de la stabilité long terme & exactitude (effets spécifiques à HORACE) Etude des performances attendues en micro-gravité Miniaturisation du dispositif Perspectives

36 36 La micro-gravité La micro-gravité : Le temps dinterrogation nest plus limité par la chute des atomes Largeur de raie très étroite (PHARAO) Lexpansion thermique du nuage devient le paramètre limitant Pression de Cs plus faible que sur Terre Temps dinterrogation de qq 100 ms Recapture plus efficace HORACE : Modélisation réaliste : Avec T° = 5µK : Stab. Ultime : τ -1/2 Quartz PHARAO : τ -1/2 Gain de 2 en micro-gravité Même dispositif expérimental RSB(Ndet) mesuré Modèle recapture

37 37 Miniaturisation du dispositif Développement au SYRTE dun banc compact simplifié (format A4) : Intérêts du refroidissement isotrope Refroidissement à fréquence fixe Faible puissance nécessaire (recyclage par la cavité) Température sub-Doppler avec rampe dintensité Pas de mise en forme des faisceaux Pas de contrôle déquilibrage Pas de contrôle de la polarisation Impératif pour une application embarquée Points délicats : 1 source Laser Génération des fréquences avec un MEO Switch optique MOEMS Enceinte à vide (vide, optique, µo) Banc optique pour refroidissement Objectif réaliste pour HORACE : ~ τ -1/2 dans un volume de quelques litres

38 38 FIN


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