Comme pour celles fonctionnant dans le domaine micro-onde, les horloges à ions fonctionnant dans le domaine optique profitent pleinement du piégeage des ions par des champs électromagnétiques adéquats :

– durées importantes d’interrogation conduisant à des raies de résonance étroites ;

– fonctionnement dans le régime Lamb-Dicke éliminant ainsi les déplacements de fréquence dus à l’effet Doppler du 1^er ordre et à l’effet de recul.

Le déplacement de fréquence dû aux interactions électrostatiques entre ions impose d’utiliser un seul ion dans l’horloge. Si la configuration électromagnétique est bien choisie, la fréquence de résonance de cet ion peut alors être considérée comme étant non perturbée. Un refroidissement laser permet de réduire considérablement sa vitesse (température équivalente ~ 1 mK) pour rendre négligeable l’effet Doppler du second ordre.

Piège de l’horloge à ion Al+ du NIST (Source NIST)

Parmi les différentes configurations d’horloges à ions qui ont été développées, c’est l’horloge à ion unique Al⁺ qui détient le record d’exactitude. L’incertitude relative de fréquence mesurée est au niveau de 7.10^-18, avec une stabilité de fréquence dans la gamme des 10^-15 pour une durée d’intégration de 1 seconde. Ce résultat fantastique a été obtenu en utilisant des méthodes innovantes pour le refroidissement de l’ion et pour la lecture de son état quantique par une technique qui a valu le prix Nobel à David Wineland (NIST, USA) en 2012.

Malgré le gain sur le facteur de qualité de la résonance atomique supérieur à 4 ordres de grandeur, le gain sur la stabilité de fréquence à court terme n’est que d’un facteur 10 par rapport aux fontaines à atomes froids à cause de deux effets :

• malgré la très grande efficacité de l’asservissement sur une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, la pureté spectrale encore insuffisante du laser d’interrogation induit une dégradation de la stabilité de fréquence
• dans le cas d’une limitation par le bruit de projection quantique, la stabilité de l’horloge s’améliore comme où est N est le nombre d’atomes ou ions interrogés dans l’horloge. En l’occurrence, N=1 pour une horloge à ion unique alors qu’il est de plusieurs millions d’atomes dans une fontaine à atomes froids. Une solution pour augmenter N – et donc améliorer la stabilité de fréquence – dans une horloge optique consiste à piéger un grand nombre d’atomes dans un réseau optique.

Au sein de FIRST-TF sont étudiées les horloges utilisant soit l’ion Ca+, soit l’ion Yb+ sui permet d’envisager des horloges optiques plus compactes que les réalisations actuelles de laboratoire.