• Prof. Thomas Südmeyer ([email protected])
• Dr Michael Petersen ([email protected])
• Antoine Jallageas ([email protected])

L’unité de temps du système international d’unités (SI), la seconde, est définie à partir d’une transition énergétique spécifique d’un atome de césium 133Cs isolé (transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental). En pratique, elle est déterminée par la mesure de la fréquence du rayonnement micro-onde correspondant à la différence d’énergie entre les deux niveaux de la transition effectuée par l’atome de césium. Cette fréquence est alors convertible en unité de temps puisqu’elle vaut par définition 9'192'631'770 Hz. Un instrument ou un montage expérimental qui réalise cette définition est nommé un étalon primaire de fréquence ou une horloge atomique primaire. Les horloges atomiques les plus précises au monde peuvent mesurer la fréquence de cette transition atomique avec une précision dépassant les 15 décimales. Une telle précision dans la mesure du temps ou de la fréquence est nécessaire pour la recherche fondamentale ou l’astronomie. Les horloges atomiques contribuent aussi à la réalisation des échelles de temps nationales et internationales (temps universel coordonné - UTC).

Les étalons primaires de fréquence les plus précis sont des horloges à fontaine atomique de césium. Leur principe de fonctionnement est basé sur le refroidissement par laser des atomes de césium dans une enceinte à vide jusqu’à une température de quelques µK afin de minimiser l’élargissement de la transition atomique induit par l’effet Doppler, ce qui se traduit par une détermination beaucoup plus précise de la fréquence de transition.

La mesure de fréquence est effectuée au cours de la trajectoire parabolique suivie par les atomes sous l’effet de la gravité (d’où le nom de fontaine atomique) lorsqu’ils sont lancés vers le haut à l’intérieur du système expérimental. Habituellement les horloges atomiques ont un fonctionnement pulsé: des boules d’atomes sont refroidies puis lancées verticalement vers le haut et la fréquence de transition est déterminée à l’issue du passage des atomes dans une cavité micro-onde. Le LTF a, développé en collaboration avec l’institut fédéral de métrologie suisse (METAS, situé à Berne), une fontaine atomique unique qui fonctionne de manière continue sur un flux constant d’atomes, au contraire des horloges pulsées qui mesurent sur des petites quantités d’atomes. De ce fait, l’horloge atomique FOCS-2 (FOntaine Continue Suisse) mesure continument la fréquence de la transition, ce qui améliore significativement le rapport signal sur bruit de la mesure. De plus, le fonctionnement de cette fontaine diffère fortement de celui des autres fontaines atomiques pulsées, ce qui offre une vérification indépendante de la fréquence de transition du césium. L‘objectif principal du premier étalon primaire de fréquence suisse sera de participer à la réalisation de l’échelle du Temps Atomique International (TAI) et de faire partie des stations terrestres pour la mission ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) qui a pour but d’installer une horloge atomique sur la station spatiale internationale, qui sera ensuite comparée avec des horloges atomiques terrestres.

Cependant, atteindre un niveau de précision supérieur à 15 décimales requiert une compréhension totale de la trajectoire atomique et des effets susceptibles de perturber la fréquence d’horloge. Cela correspond, par exemple, à une précision sur le contrôle du champ magnétique dans la chambre à vide meilleure que 1 mG et inférieure à 10^-16 W pour le rayonnement micro-onde résiduel dans les zones critiques de la fontaine où ce rayonnement est indésirable. Le rayonnement micro-onde nécessaire pour la mesure de la fréquence d’horloge interagit avec les atomes dans une cavité en cuivre, que ces derniers traversent au cours de leur trajectoire. Cette cavité a été fabriquée avec une très grande précision, de manière à ce que la phase du rayonnement micro-onde varie de moins de 1.5•10^-5 radian sur le faisceau atomique traversant la cavité.

Figure 1 : Nouvelle cavité micro-onde à très-faible gradients de phase développée pour FoCS-2.

La fontaine continue FOCS-2 atteint actuellement une précision relative de 10^-13 sur la détermination de la fréquence d’horloge. De nouvelles études sont en cours pour améliorer la compréhension du comportement du champ électromagnétique dans et autour de la chambre à vide de la fontaine ainsi que son effet sur le fonctionnement de l’horloge. FOCS-2 a une stabilité d’environ 20 mHz (soit 2•10¹⁵ relatif) sur une période d’une heure, ce qui est comparable avec certaines des meilleures horloges à fontaine atomique au monde. Nous essayons d’améliorer encore ses performances par l’augmentation du rapport signal sur bruit du signal de l’horloge, en particulier en augmentant le nombre d’atomes dans les états atomiques requis pour les mesures.