Des concepts innovants d’horloges à atomes froids compactes, dérivés des fontaines à atomes froids mais autorisant un bon niveau de miniaturisation, sont aujourd’hui en cours d’industrialisation. Dans une fontaine à atomes froids, les différentes interactions (refroidissement laser, préparation atomique, interrogation des atomes, détection du signal d’horloge) ont lieu dans des endroits différents de l’horloge, au cours du vol libre des atomes. Afin de gagner sur la taille de l’horloge, le dispositif est conçu pour que toutes ces interactions se déroulent de façon séquentielle au même endroit, à l’intérieur de la cavité micro-onde, ce qui permet de fusionner toutes les zones d’interaction en une seule. Ainsi, au lieu d’être réalisé par des faisceaux laser collimatés, le refroidissement radiatif des atomes est effectué par une lumière laser isotrope générée par réflexion/diffusion sur les parois de la cavité micro-onde. De plus l’utilisation du rubidium (représentation secondaire de la seconde SI) à la place du césium permet d’améliorer notablement la stabilité long terme de l’horloge en réduisant le déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids, mais aussi d’améliorer la fiabilité par l’utilisation de technologies issues des télécommunications optiques. Ces horloges à atomes froids compactes, qui ont fait l’objet d’un transfert de savoir-faire du SYRTE vers la société µQuanS, ont été testées en microgravité lors de vols paraboliques à bors de l’Airbus Zéro-G.. L’objectif de performances ambitieux vise à une stabilité de quelques 10^-13 à 1 seconde et un plancher de stabilité inférieure à 10^-15. Une exactitude dans la gamme des 10^-15 est aussi attendue.

Horloge Rubiclock, utilisant des atomes froids de Rb, testée en microgravité   (Source : CNES, Novespace, SYRTE, µQuanS)

D’autres concepts visent à utiliser des atomes froids piégés dans des champs magnétiques générés sur des puces atomiques. Comme pour les horloges à ions, le piégeage a l’avantage de permettre des durées d’interaction importantes dans un dispositif de dimensions réduites mais il a l’inconvénient d’induire des déplacements de fréquence dus aux interactions non seulement avec le champ magnétique piégeant mais aussi entre les atomes froids. La technique de piégeage sur une puce atomique présente par ailleurs l’intérêt de pouvoir comparer le fonctionnement de l’horloge avec des atomes froids classiques ou avec des atomes ultra froids placés dans un état quantique unique géant associé au phénomène de condensation de Bose-Einstein. Les études menées ont permis de démontrer des temps de cohérence exceptionnels (plusieurs dizaines de secondes) permettant d’espérer des raies de résonance ultrafines.

Horloge à atomes froids piégés sur puce