Etudes de transitions atomiques permises et interdites par spectroscopie laser en vue d’une application aux horloges optiques Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique

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“. …

Nuage d’atomes froids de 87Sr Atomes  Molécules 2005 – 2014: Spectroscopie des fréquences micro-ondes (Horloge 133Cs) Spectroscopie des fréquences optiques (Horloge 87/88Sr) Gaz quantiques dégénérés (BEC 52Cr) Sources laser non-linéaires (OPOs) Spectroscopie moléculaire IR et instrumentation laser (O3) Nuage d’atomes froids de 87Sr Liquide de O3

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

Fonctionnement d’une horloge atomique Cavité électromagnétique ou laser  méthode d’interrogation système à 2 niveaux d’énergie avec un atome préparé dans un état initial réaliser la transition d’horloge pour avoir une réponse atomique

Les résonances atomiques permises

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

Retour sur le césium 133Cs II. Formule de Breit-Rabi de l’état fondamental 2S1/2 Zeeman quadratique G. Breit I. Rabi  - +

Fontaine atomique de césium Retour sur le césium 133Cs III. L’étalon de fréquence micro-onde système à 2 niveaux d’énergie avec un atome préparé dans un état initial Double passage dans une cavité électromagnétique réponse atomique J. Zacharias  = 0.9 Hz Q = 1010 Fontaine atomique de césium A. Clairon CGPM 1967:   « La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental de l’atome de césium 133 ». Aujourd’hui réalisée avec une exactitude de quelques 10-16

Pourquoi remplacer un alcalin par un alcalino-terreux ? Alcalin (133Cs): Spin électronique J=1/2 + spin nucléaire Température Doppler Géométrie de type fontaine  temps d’interrogation limité Facteur de qualité limité Alcalino-terreux (87Sr): Spin nucléaire et J=0 Température Doppler et sub-Doppler Longueur d’onde « magique » dans le visible + régime Lamb-Dicke  temps d’interrogation très long sans perturbation de la transition d’horloge Facteur de qualité élevé 1 Hz à 10 GHz 10 mHz à 430 000 GHz 87Sr : I = 9/2 Interaction avec le spin nucléaire entre 3P0 et 3P1 : transition d’horloge (J=0  J=0) faiblement permise type dipolaire électrique Largeur  1 mHz Abondance isotopique 10% 88Sr : I = 0 Pas d’interaction avec le spin nucléaire entre 3P0 et 3P1 : transition d’horloge interdite à 1 photon mais possible E1M1 Largeur << 1 mHz Abondance isotopique 90% Aspect fondamental: la structure magnétique ! Déterminer la sensibilité des niveaux atomiques de l’horloge au champ magnétique directeur: 133Cs connu depuis 1931, 87Sr non maîtrisé en 2005

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

Le strontium fermionique 87Sr II.1 Couplage spin-orbite 1P1 Couplage spin-orbite: 3P1 3P0 La transition à 689 nm est activée par le couplage entre 1P1 et 3P1 1S0 Mesure expérimentale des durées de vie:

Le strontium fermionique 87Sr II.2 Influence du spin nucléaire 1P1 Influence du spin nucléaire: (F=I=9/2) (F=I=9/2) 3P1 3P0 (F=I=9/2) La transition à 698 nm est activée par le couplage hyperfin entre 3P0 , 3P1 et 1P1 1S0 Estimation de la durée de vie de l’état 3P0: Mesures expérimentales des constantes de structure hyperfine:

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

Le strontium fermionique 87Sr IV. Spectroscopie laser des états magnétiques Polarisation  avec 0.58 G Polarisation +/- avec 0.64 G Ambiguité de signe Besoin d’une calibration du champ magnétique g est directement proportionnel à l’écart énergétique entre transitions adjacentes SYRTE (2007) JILA (2007)

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

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

Les résonances atomiques interdites

? Le strontium bosonique 88Sr I. Activer la transition interdite 1P1 698 nm (  0 ) 1S0 1P1 3P1 3P0 461 nm 5 THz 1354 nm ? Plus de mélange hyperfin avec 3P1 !  transition d’horloge interdite à 1 photon 1S0 1P1 3P0 1354 nm (M1) 3P1 461 nm (E1) 3P0 1S0

Déplacement de fréquence Le strontium bosonique 88Sr II.1 Spectroscopie à 2 photons par résonance noire Résonance noire 1P1 (élargissement radiatif) ? Déplacement de fréquence 3P0 2 1S0 Alcalin Alcalino-Terreux 1 Temps de préparation Pour minimiser le déplacement de fréquence de l’horloge au niveau relatif de 10-17  le temps de formation de la résonance est de l’ordre de 160s !

Le strontium bosonique 88Sr II.2 Spectroscopie impulsionnelle à 2 photons 1 2 3 1P1 Détection de la fraction atomique dans 1S0 Préparation atomique rapide Impulsion laser de durée variable Evolution libre 1354 nm 461 nm 3P0 1S0 Franges de résonance noire 1P1 Fraction atomique Franges EIT/Raman 1S0 Fraction atomique = 1- 5s m << 5 s = 1-5s m  0.5s

Le strontium bosonique 88Sr II.3 Compenser les déplacements lumineux 1P1 3P0 2 1S0 Contrôle du déphasage accumulé au cours de l’excitation à 2 photons 1 Déplacement de fréquence  (mHz) Déplacement de fréquence  (mHz) Transfert de population (%) 1S0

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

Le strontium bosonique 88Sr 1P1 3P0

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

Conclusions et perspectives Transition d’horloge dans un champ RF Transition d’horloge dans un double champ RF ? 171Yb I=1/2 171Yb I=1/2 3P0 3P0 1S0 1S0 Activation par champ statique ! Activation artificielle (phase de Berry) ? 88Sr et 174Yb I=0 88Sr et 174Yb I=0 2 E 2 1 2007 1

Le projet de recherche en physique moléculaire

L’ozone O3 Gamme spectrale retenue (4 isotopologues accessibles) Positions en nombre d’onde des raies moléculaires de l’ozone 676 et 666 par rapport aux données HITRAN 2008 et GEISA 2009 Spectres moléculaires des isotopologues de l’ozone vers 10 m

Absorption saturée sur 16O16O16O Diode à sel de Plomb refroidie par azote liquide (  10 MHz) P  0.5 mW Diode QCL refroidie par élément Peltier ( < 3 MHz) Largeur Doppler = 55 MHz (T=296K, P=40mTorr, L=10cm) Largeur sub-Doppler  3 MHz P  35 mW Fluctuation relative d’intensité 10-3 Caractérisations de la fonction d’appareil de la diode laser QCL Fluctuation relative de fréquence 10-9 Facteur de qualité moléculaire Q = 106

Balayage du taux de répétition fr avec (m-n)  105 Spectromètre laser asservi sur une référence de fréquence en laboratoire FQCL = RF + (m-n)fr Balayage du taux de répétition fr avec (m-n)  105  fr = 1MHz  10 GHz (3.3 cm-1) Très haute résolution spectrale en nombre d’onde < 10-8 cm-1 (10-11) 1000 fois plus stable que les diodes asservies sur interféromètres stabilisés par He:Ne

MERCI !

Charles Townes Jerold Zaccharias Norman Ramsey Gregory Breit Isidore Rabi