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

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Chapitre 1. Principe de fonctionnement
d’une fontaine atomique
tel-00319950, version 1 - 9 Sep 2008
une grande échelle. La seconde solution consisterait à ralentir les atomes. La
première tentative allant dans ce sens fut celle de Zacharias en 1953 qui mit
à profit la gravité. Le dispositif est alors placé verticalement et les atomes
sont lancés vers le haut. Les atomes traversent une première fois une cavité
d’interrogation, où ils interagissent avec le champ interrogateur, ralentissent
sous l’effet de la pesanteur, rebroussent chemin et traversent une deuxième
fois la même cavité, où ils interagissent à nouveau avec le champ interrogateur.
Ils sont enfin détectés. Il s’agit donc d’une interrogation de Ramsey
spatialement repliée. La première “fontaine atomique” fut ainsi réalisée avec
un jet thermique vertical. Mais, en raison toujours de la divergence du jet
thermique et de sa déficience en atomes lents, cette expérience resta sans
résultat [10, 11].
A la fin des années 1980, le développement des techniques de refroidissement
d’atomes par laser rendit cette idée réalisable. La première fontaine atomique
fonctionna en 1989 avec des atomes de sodium [12]. Pour la première
fois, des franges de Ramsey d’une largeur de 2 Hz furent observées en appliquant
le schéma d’interrogation imaginé par Zacharias. Peu après, la première
fontaine à atomes froids de césium fut réalisée à des fins métrologiques [13].
Dans une fontaine de ∼ 1 m de haut, la durée du vol libre vaut ∼ 0, 5 s
et la frange centrale de Ramsey a une largeur à mi-hauteur de 1 Hz. Ceci
conduit à un facteur de qualité Q at ≈ 9 × 10 9 , soit un gain d’un facteur 100
par rapport au jet thermique fonctionnant avec le même atome de césium.
Le refroidissement laser des atomes permet d’imaginer d’autres méthodes
pour allonger la durée de la phase de vol libre. L’une vise à s’affranchir
de la pesanteur et à lancer les atomes très lentement dans la configuration
d’interrogation à deux zones séparées. Dans l’espace, les techniques de refroidissement
laser permettent de contrôler le lancement des atomes jusqu’à
des vitesses de l’ordre de 5 cm/s ; le vol libre dure alors typiquement 5 s, ce
qui permet de gagner en théorie un autre facteur 10 sur le facteur de qualité
atomique par rapport aux fontaines à atomes froids. Le projet d’horloge
spatiale à atomes froids de césium PHARAO repose sur ce principe [2, 3].
Pour aller encore plus loin, les atomes peuvent être maintenus fixes et la
séquence d’interrogation doit alors être effectuée temporellement. C’est le cas
par exemple des horloges à ions piégés. Le projet HORACE actuellement en
développement au laboratoire a pour but l’envoi dans l’espace d’une horloge
à atomes froids de césium qui seront maintenus dans la cavité micro-onde
d’interrogation et la séquence Ramsey y sera réalisée temporellement.