Fontaine atomique double de césium et de rubidium avec une ...

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tel-00319950, version 1 - 9 Sep 2008
fréquence, des horloges de type fontaine atomique, atteignent des exactitudes
en fréquence relative de l’ordre de quelques 10 −16 ( 3 ). Leur architecture, imaginée
dès les années 1950, n’a pu voir le jour que grâce aux techniques de
refroidissement des atomes par laser développées à la fin des années 1980.
Avec de tels instruments, la seconde est aujourd’hui l’unité du Système International
qui est réalisée avec, de loin, la meilleure exactitude. Ces systèmes
permettent donc d’envisager des expériences poussées de physique fondamentale,
comme tester la Relativité Générale, à travers l’invariance de Lorentz
ou le principe d’équivalence d’Einstein, en recherchant notamment une
éventuelle variation des constantes fondamentales. A côté de cela, ces étalons
atomiques de fréquence sont des outils privilégiés pour étudier la physique
des atomes, depuis les champs qui perturbent l’énergie interne des atomes,
jusqu’aux collisions froides et la formation de molécules froides...
Mon travail de thèse au LNE-SYRTE s’est porté sur la fontaine atomique
double FO2. Celle-ci possède l’originalité de pouvoir fonctionner aussi bien
avec le césium 133 qu’avec le rubidium 87. Parmi la dizaine de fontaines atomiques
opérationnelles dans le monde, c’est la seule qui fonctionne à deux
espèces atomiques. La principale motivation pour le développement d’un tel
dispositif est la possibilité à terme de comparer en permanence les fréquences
hyperfines des deux alcalins et d’accéder à une éventuelle variation temporelle
de leur rapport et, par là, à une éventuelle variation temporelle de constantes
fondamentales de la physique. Grâce à cette architecture double, on espère
supprimer, au moins en partie, les perturbations liées aux fluctuations de
l’environnement commun aux deux atomes et atteindre une résolution exceptionnelle
sur la comparaison.
L’expérience FO2 a dix ans et son développement se poursuit encore
aujourd’hui. En mode de fonctionnement au césium, la fontaine a obtenu
une stabilité record de 1,6 × 10 −14 τ −1/2 , qui est encore actuellement l’une
des meilleures stabilités obtenues sur plusieurs jours pour un étalon atomique
de fréquence. Les derniers travaux menés sur la partie césium au cours de
ma thèse ont eu essentiellement pour objectif l’amélioration de l’exactitude.
Celle-ci atteint aujourd’hui ∼ 4×10 −16 , et compte parmi les toutes meilleures
pour un étalon primaire de fréquence. La partie rubidium, quant à elle, a été
l’objet d’une refonte complète sur le plan du chargement des atomes. Un
nouveau banc laser a été construit, et nous avons pu tester une nouvelle
source d’atomes. La fontaine rubidium, ainsi rénovée, affiche une stabilité de
6,3 × 10 −14 τ −1/2 , un record pour un étalon de fréquence au rubidium. De
par ses performances exceptionnelles, FO2 est un instrument de métrologie
3 Soit l’équivalent d’une dérive de l’ordre de la seconde au bout de 300 millions d’années.