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

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Chapitre 1. Principe de fonctionnement
d’une fontaine atomique
Suite au déplacement gravitationnel “dynamique” que nous venons de
voir, nous pouvons dire quelques mots sur le déplacement gravitationnel
“statique”. Bien qu’il ne soit pas un effet systématique de la fontaine-même,
celui-ci intervient lors de la comparaison de fréquence d’horloges situées à
des altitudes différentes par rapport au géoïde 4 . Le déplacement relatif de
fréquence lié à l’altitude des horloges s’exprime comme :
δν
= + g h cav
ν at c 2
tel-00319950, version 1 - 9 Sep 2008
où h cav désigne la hauteur de la cavité d’interrogation Ramsey au-dessus du
géoïde. Dans notre fontaine h cav vaut (60, 0 ± 1, 0) m, ce qui donne un effet
de 6, 54 × 10 −15 avec une incertitude de 1 × 10 −16 dont il faut tenir compte
lors des comparaisons avec d’autres horloges.
Le déplacement collisionnel
Ce déplacement de fréquence est lié aux interactions entre atomes froids pendant
la phase d’interrogation [27]. Les collisions entre atomes froids modifient
l’état interne des atomes et peuvent en effet perturber notablement la transition
d’horloge. Ce déplacement est proportionnel à la densité volumique
d’atomes. Il a longtemps constitué la limitation majeure pour l’exactitude
des fontaines de césium.
Dans le but de minimiser cet effet, la solution naturelle serait a priori de
diminuer la densité d’atomes, mais ceci impliquerait une baisse du nombre
d’atomes au niveau de la détection et par conséquent une dégradation de la
stabilité de l’horloge. Il y a donc là un compromis à trouver. Pour dépasser la
limite imposée par l’effet des collisions dans le cas du césium, une évaluation
précise du déplacement est nécessaire. Ainsi une méthode d’évaluation en
continu du déplacement collisionnel a été mise au point sur les fontaines
césium du laboratoire. Ceci a permis d’améliorer d’un ordre de grandeur
l’exactitude affichée par ces fontaines. Les derniers raffinements de cette
méthode sont exposés dans [7]. Nous en expliquerons rapidement le principe
au chapitre 3.
Une manière de contourner le problème est d’employer un autre atome
que le césium, un atome présentant toutes les caractéristiques pour concevoir
une horloge identique dans son principe, mais présentant un déplacement
collisionnel nettement plus faible. Un autre candidat alcalin proche du césium
promettait de remplir ces conditions : le rubidium. Les fontaines fondées sur le
4 Le géoïde est une surface équipotentielle du potentiel de gravitation terrestre, proche
du niveau moyen des océans et utilisée comme référence d’altitude pour la détermination
de l’échelle de temps internationale.