Horloges atomiques

Le principe de fonctionnement d’une horloge atomique repose sur l’asservissement de la fréquence d’un oscillateur sur une fréquence de référence absolue correspondant à la fréquence de transition entre deux états quantiques d’un atome, d’un ion ou d’une molécule. Le signal utile de l’horloge est généré par un oscillateur dont le type dépend de la gamme de fréquence considérée.

Les membres de FIRST-TF mènent de nombreuses activités de R&D sur une grande variété d’horloges atomiques se différenciant par les espèces atomiques de référence (atome, ion, …), le domaine de fréquence de la transition de référence (micro-onde, optique), le type de source atomique (jet thermique, vapeur, atomes refroidis par laser, …), la classe de performances (stabilité, exactitude), les contraintes (masse, consommation, volume, tenue à l’environnement) liées à la gamme d’applications, etc.

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Stabilités de fréquence typiques des principaux types d’horloges

HORLOGE MICRO-ONDES

Horloge à jets thermiques (FIRST-TF → SYRTE, Thales Electron Devices, Oscilloquartz)

Fontaines à atomes froids (FIRST-TF →  : SYRTELKB)

Horloges à atomes froids spatiales – La mission ACES/PHARAO (FIRST-TF → SYRTE, LKB, Sodern, Thales Electron Devices, CNES)

Horloges à atomes froids compactes (FIRST-TF → SYRTE, LKB, µQuanS, TRT, CNES)

Masers à hydrogène

Horloges à ions

Horloges à Rubidium en cellule

Horloges à piégeage cohérent de population (CPT) (FIRST-TF → SYRTE, FEMTO-ST, Syrlinks, Tronics)

 

HORLOGES OPTIQUES

Horloges à ions (FIRST-TF → PIIM, FEMTO-ST)

Horloges à atomes neutres piégés dans des réseaux optiques (FIRST-TF → SYRTE)

Autres développements (FIRST-TF → LKB)

Dans ces horloges, la fréquence de référence atomique se situe dans le domaine optique : sa valeur est de quatre à cinq ordres de grandeur plus grande que pour une horloge micro-onde. Par conséquent, pour une même finesse de la raie de résonance, on peut déduire de l’équation 2 que le facteur de qualité de la raie de résonance est augmenté dans les mêmes proportions et permet potentiellement une amélioration fantastique de la stabilité de fréquence de l’horloge. Même si la stabilité de fréquence des horloges optiques est toujours limitée aujourd’hui par la pureté spectrale insuffisante du laser d’interrogation (limitation par effet Dick), les meilleures horloges optiques actuelles présentent des stabilités de fréquence au niveau de quelques 10-16 pour une durée d’intégration de 1 seconde, soit 2 ordres de grandeur au-delà des meilleures fontaines à atomes froids fonctionnant dans le domaine micro-onde dont la stabilité de fréquence se situe dans la gamme des 10-14 (à 1 seconde).

De même, les amplitudes de nombreux effets systématiques (effet Zeeman, déplacement collisionnel, …) qui limitent l’exactitude d’une horloge atomique ne dépendent pas de la valeur de la fréquence de transition. Par conséquent, ces effets induiront un déplacement relatif de fréquence d’autant plus faible que la fréquence de l’horloge sera élevée. Ainsi, même si certains effets systématiques vont rester identiques en valeur relative – tels les effets liés à l’effet Doppler – une amélioration considérable de l’exactitude de l’horloge est obtenue en passant du domaine micro-onde au domaine optique. Noter que dans ce contexte nous entendons par « exactitude » l’erreur de fréquence de l’horloge par rapport à sa transition atomique de référence et non par rapport à la définition actuelle de la seconde du SI, basée sur l’atome de Cs.

Deux filières d’horloges optiques sont aujourd’hui développées : les horloges à ions et les horloges à atomes neutres piégés dans des réseaux optiques. Le choix d’un atome ou d’un ion parmi de nombreux éléments utilisables dans une horloge optique résulte d’un compromis entre l’abondance de l’élément considéré, la stabilité de fréquence (finesse de la résonance, rapport signal à bruit, dégradation par effet Dick, …), l’exactitude de fréquence (effet Doppler, déplacement lumineux, effet du rayonnement du corps noir, …) et la capacité de disposer de sources laser fiables pour l’interrogation, le refroidissement et le piégeage. Aujourd’hui, ces deux filières conduisent à des incertitudes ultimes de fréquence sensiblement au même niveau (dans la gamme des 10-18 en valeur relative), soit plus de 2 ordres de grandeur au-delà des fontaines à atomes froids dont l’exactitude est dans la gamme des 10‑16.

optique

Amélioration de l’exactitude des horloges atomiques, de la première horloge à jet thermique de césium à l’horloge à réseau optique d’atomes de strontium