Pour ce type d’horloges, l’enjeu principal est la transportabilité, avec de fortes contraintes en termes de volume, de masse, de consommation électrique, de coût et de durée de vie.

Une cellule intégrée dans une cavité micro-onde résonante contient des atomes de rubidium qui interagissent simultanément avec le rayonnement micro-onde issu de l’oscillateur et le rayonnement optique utilisé à la fois pour le pompage optique et pour la détection du signal d’horloge. Cette détection est effectuée par la mesure de l’absorption, par les atomes de la cellule, du rayonnement optique qui est généré par une lampe spectrale de rubidium. L’amplitude du signal d’absorption dépend directement de l’accord à la résonance du signal micro-onde injecté dans la cavité résonante. Afin d’éliminer l’effet Doppler du premier ordre dû au mouvement des atomes dans la cellule, un gaz tampon est ajouté dans la cellule pour réduire, à l’aide de multiples collisions, la zone de déplacement des atomes de rubidium, permettant ainsi de se placer en régime de Lamb-Dicke.

Grâce à leur forte maturité technologique, leur fiabilité et leur bon compromis performances / encombrement / coût, les horloges à rubidium en cellule sont aujourd’hui les horloges atomiques les plus fabriquées au monde (plusieurs milliers d’exemplaires par an), avec des applications variées au sol et dans l’espace. Par exemple, ces horloges sont installées dans les satellites des constellations GNSS, et en particulier GALILEO, pour la génération de la référence de temps local.

Les horloges à rubidium en cellule sont principalement limitées par les effets systématiques liés aux collisions avec le gaz tampon (qui dépend fortement de la pression donc de la température de la cellule) et le déplacement lumineux (qui dépend fortement des caractéristiques de la lampe spectrale). Des améliorations peuvent être apportées, d’une part en utilisant des mélanges de gaz tampons induisant des déplacements collisionnels dont les sensibilités thermiques se compensent.

Plusieurs laboratoires développent de nouvelles configurations d’horloges à rubidium en cellule de hautes performances avec des stabilités de fréquence cibles de 10^-13 à une seconde. Les solutions explorées sont les suivantes :

• remplacement de la lampe spectrale par un laser pour améliorer le rapport signal à bruit et le contrôle des phénomènes de pompage optique dans une horloge à rubidium ;
• interrogation pulsée des atomes, de type Ramsey, dans une horloge à rubidium ou dans une horloge à piégeage cohérent de population pour affiner la raie de résonance et réduire le phénomène de déplacement lumineux.

Horloge à rubidium en cellule pour GALILEO (Source ESA)