La stabilité de fréquence d’une horloge atomique dépend directement de la largeur de la raie de résonance qui est proportionnelle à l’inverse de la durée d’interaction entre les atomes et le rayonnement issu de l’oscillateur. La longueur maximale de la cavité de Ramsey dans une horloge à jet thermique est de l’ordre de un mètre dans les dispositifs les plus volumineux et gagner un ordre de grandeur ne semble pas réaliste avec cette technique.

Le refroidissement et la manipulation d’atomes neutres par laser, développées dans les années 1980, ont conduit à une véritable révolution dans le monde des horloges atomiques puisque ces techniques permettent de disposer in fine d’ensemble d’atomes dont les températures sont de l’ordre du microkelvin. D’aussi basses températures correspondent à des vitesses de l’ordre du centimètre par seconde, soit plusieurs ordres de grandeur plus faibles que celles des jets thermiques. Les inventeurs de ces techniques, Steven Chu, William Phillips et le physicien français Claude Cohen-Tannoudji ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 1997.

La configuration privilégiée d’horloge à atomes froids, appelée « fontaine à atomes froids » cherche à tirer profit de l’action de la gravité sur les atomes froids de faibles vitesses pour optimiser la durée d’interaction tout en réalisant une double interaction de Ramsey.

Un ensemble contenant quelques centaines de millions d’atomes froids (température : 1 µK) est obtenu par interaction avec trois paires d’ondes stationnaires laser orthogonales. Après refroidissement, les atomes sont lancés vers le haut en modifiant légèrement les fréquences des faisceaux laser de refroidissement. Après le lancement, les atomes sont préparés dans le même état quantique puis tous les faisceaux laser sont coupés pour éviter tout phénomène de déplacement lumineux pendant l’interaction avec le signal issu de l’oscillateur. Cette interaction s’effectue dans une cavité résonnante micro-onde cylindrique en deux temps : une première interaction quand les atomes traversent la cavité dans le sens montant et une deuxième interaction quand les atomes traversent la même cavité dans le sens descendant. Le signal d’horloge, i.e. la probabilité de transition des atomes, est détectée ensuite par une technique de fluorescence induite par laser. Grâce à la gravité qui replie les trajectoires atomiques, il est possible de réaliser dans une unique cavité cylindrique une interaction de Ramsey, qui conduit à des largeurs de la raie de résonance de l’ordre de 1 Hz, la durée entre les deux interactions étant de 0,5 seconde. De plus le changement du sens de la vitesse entre la montée et la descente permet de réduire fortement les déplacements liés à l’effet Doppler.

Principe de fonctionnement d’une fontaine à atomes refroidis par laser

Il existe aujourd’hui une vingtaine de fontaines à atomes froids en opération dans le monde. Les meilleures stabilités de fréquence obtenues à ce jour sont de 2. 10^-14 t^-1/2 (t : durée d’intégration). Précisons que ce niveau record de stabilité n’a pu être atteint qu’avec l’utilisation d’un oscillateur cryogénique à modes de galerie pour s’affranchir de la dégradation due à la pureté spectrale insuffisante du laser d’interrogation (effet Dick). L’exactitude des meilleures fontaines à atomes froids, qui fonctionnent avec des atomes de césium ou de rubidium, se situe dans la gamme des 10^-16.

Bilan d’exactitude de fréquence relative de la fontaine à atomes froids de césium FO2 du SYRTE

Après plus de deux décennies de recherche et développement, les fontaines à atomes froids ont atteint leur niveau maximal de performances, i.e. une exactitude au niveau de 10^-16 et une stabilité long terme de fréquence dans la gamme des 10^-17. Elles fonctionnent actuellement de façon plus opérationnelle dans le cadre de diverses applications : tests de physique fondamentale et en particulier recherche d’une dérive des constantes fondamentales, étalonnage du Temps Atomique International TAI, amélioration de la stabilité long terme des échelles de temps, etc. Grâce à leurs performances et leur fiabilité, les fontaines du SYRTE contribuent à elles seules à environ 40% de l’étalonnage du Temps Atomique International.