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MACQS : Horloges atomiques et senseurs quantiques miniature

Chercheurs clés:


Au sein du projet Horloges atomiques et senseurs quantiques miniature   (MACQS), l’objectif était de développer et d’étudier les composantes clé requis pour la construction des horloges atomiques miniatures à double-résonnance (DR) et des capteurs quantiques. De telles horloges miniatures ont un réel potentiel d’applications pour la navigation et le positionnement par satellite, les télécommunications sécurisées, les applications de synchronisation mobiles, et bien d’autres. Les développements précédents concernant les horloges atomiques miniatures étaient basés sur le principe du piégeage cohérent de population (CPT) (voir par ex. S. Knappe, “MEMS atomic clocks,” Comprehensive Microsystems, vol. 3, Elsevier, 2008). Le projet MACQS suit une approche alternative et complémentaire, en se concentrant sur des horloges atomiques miniatures basées sur le principe de la double-résonnance (DR optique et micro-onde). Cette approche est soutenue par le fait que le schéma de DR a montré des capacités pour obtenir une stabilité d’horloge 5 fois supérieures au principe CPT, pour une cellule vapeur de même taille. Le consortium du projet est formé de 5 équipes de recherche de l’Université de Neuchâtel et de l’Ecole Fédérale de Lausanne (EPFL), qui se concentrent sur différents aspects du projet :

  • UniNe-LTF (Prof Mileti) Spectroscopie et physique de l’horloge atomique
  • EPFL-SAMLAB (Prof. N. de Rooij): Cellules à vapeur miniatures et micro-fabrication.
  • EPFL-LMTS (Prof. H. Shea): Lampes miniatures à décharge de Rb et microsystèmes.
  • EPFL-LEMA (Prof. A. Skrivervik): Résonateurs miniatures à microondes.
  • EPFL-LPM2 (Dr. T. Maeder): Microsystèmes, matériaux, et encapsulation.

Un résultat principal de ce projet est le développement de nouveaux types de cellules micro-fabriquées à vapeur de Rb, tel que la cellule à vapeur multicouches en verre de Si utilisant 4 étapes de soudure anodique (Figure 2b, [4]). Cette méthode permet la fabrication au niveau d’une galette de cellules avec une longueur interne ≥ 1 mm et une qualité optique excellente de la fenêtre de la cellule, ce qui est difficile à obtenir avec les technologies existantes. En vue de l’exploitation des revêtements anti-relaxation dans des cellules micro-fabriquées, une nouvelle technique de scellage à basse température par thermocompression d’indium a été développée (Figure 1a, [3]). En utilisant cette technique, des cellules micro-fabriquées à vapeur de Rb à revêtement OTS ont été développées et la présence d’un revêtement d’anti-relaxation a été confirmé par des mesures spectroscopiques (Figure 1b+c, [2]).

Un nouveau résonateur microonde miniaturisé, le µ-LGR, a été développé pour un couplage efficace et contrôlé des microondes aux atomes alcalins présent dans la cellule vapeur (Figure 3a, [4]). Ce résonateur est basé sur le modèle classique des résonateurs Loop-gap, mais il a une taille totale de 11mm seulement, bien inférieure à la longueur d’onde des microondes. Il est fabriqué par micro-structuration des électrodes sur substrats diélectriques, suivi par un processus d'empilement, qui permet la fabrication parallèle et efficace de ce type de résonateur.

Basées sur les composants développés et différentes sources lasers, des études spectroscopiques ont été menées, afin de valider le bon fonctionnement des composants développés et d’évaluer des effets systématiques affectant la marche de l’horloge et sa dérive de fréquence (Figure 3, [3,4]). Le fonctionnement de l’horloge utilisant le µ-LGR montre une excellente stabilité, jusqu’au niveau de 10-12 à 1000 secondes de temps d’intégration (stabilité de fréquence fractionnelle ou déviation d’Allan), qui montre le haut potentiel de ce type d’horloge atomique miniaturisée pour de futures applications comme par exemple dans les smart-grids.

Inspiré du principe des écrans plasma, une lampe à décharge de Rb miniaturisée a été développée, opérant sur le schéma de décharge à barrière diélectrique (Figure 4a, [7]). Avec cette lampe, nous avons réalisé avec succès le pompage optique dans une cellule à vapeur de Rb micro-fabriquée (Figure 4b, [6]).
 

Figure 1: a) Cellule à vapeur de Rb micro-fabriquée utilisant le scellage d’Indium à basse-température [3]. b) Schéma et photographie d’une cellule à vapeur de Rb équipée avec un revêtement anti-relaxant [2]. Exemple de signal DR obtenu avec une cellule micro-fabriquée avec revêtement [2].

 

Figure 2: a) Résonateur micro-loop-gap (µ-LGR) [6] développé dans ce projet pour fonctionner avec une cellule de vapeur micro-fabriquée à noyau épaisse [5]. Le diamètre total du cylindre est de 11 mm. b) La cellule micro-fabriquée à noyau épais [5].

 

Figure 3: Etudes de l’horloge par interrogation DR dans des cellules à Rb micro-fabriquées. a) Mesures de déplacement lumineux dans une microcellule remplie de gaz tampon [7]. b) Mesures de stabilité dans une horloge miniature à DR utilisant le µ-LGR [8].

 

 

Figure 4: a) Lampe miniature à décharge de Rb [7]. b) Première démonstration de pompage optique par signaux à DR de Zeeman dans une cellule de Rb micro-fabriquée [6]. c) Horloge atomique miniature au Rb par DR envisage, consistant en une source de lumière à plasma de Rb micro-fabriquée, une cellule filtre micro-fabriqué optionnel, une cellule de résonance à Rb micro-fabriquée enfermée dans une cavité microonde miniaturisée, et un photodétecteur.

Cette recherche est financée par le Fonds National Suisse, projet sinergia 122693, “Miniature atomic clocks and quantum sensors”.

 

Publications clés:

  1. M. Pellaton, C. Affolderbach, Y. Pétremand, N. de Rooij and G. Mileti, Study of laser-pumped double-resonance clock signals using a microfabricated cell, Physica Scripta, T149 (2012) 014013, DOI: 10.1088/0031-8949/2012/T149/014013, (2012). PDF
  2. R. Straessle, M. Pellaton, C. Affolderbach, Y. Pétremand, D. Briand, G. Mileti, N. F. de Rooij, Microfabricated alkali vapor cell with anti-relaxation wall coating, Applied Physics Letters 105 (4), 043502 (2014). PDF
  3. R. Straessle, M. Pellaton, C. Affolderbach, Y. Petremand, D. Briand, G. Mileti and N. F. de Rooij, Low-temperature indium-bonded alkali vapor cell for chip-scale atomic clocks, Applied Physics 113, issue 6, 064501/1-8, (2013). PDF
  4. Y. Pétremand, C. Affolderbach, R. Straessle, M. Pellaton, D. Briand, G. Mileti and Nico F. de Rooij, Microfabricated rubidium vapour cell with a thick glass core for small-scale atomic clock applications, Journal of Micromechanics and Microengineering, 22, 025013, (2012). PDF
  5. M. Violetti, M. Pellaton, F. Merli, J.–F. Zürcher, C. Affolderbach, G. Mileti, A. K. Skrivervik, The Micro Loop-Gap Resonator: A Novel Miniaturized Microwave Cavity for Double-Resonance Rubidium Atomic Clocks, IEEE Journal of Sensors 14 (9), 3193 – 3200 (2014). PDF
  6. V. Venkatraman, S. Kang, C. Affolderbach, H. Shea and G. Mileti, “Optical pumping in a microfabricated Rb vapor cell using a microfabricated Rb discharge light source”, Applied Physics Letters, 104, issue 5, 054104 -1/4, (2014). PDF
  7. V. Venkatraman, Y. Pétremand, C. Affolderbach, G. Mileti, N. F.de Rooij, H. Shea, “Microfabricated chip-scale rubidium plasma light source for miniature atomic clocks”, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control. Vol. 59, No. 3, pp. 1-9, (2012). PDF
  8. M. Pellaton, C. Affolderbach, G. Mileti, M. Violetti, J.-F. Zürcher, A. K. Skrivervik, “Double resonance spectroscopic studies using a new generation of microfabricated microwave cavity”, proceedings of the 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, Prague, Czech Republic, July 21-25, 2013, pp. 582-585. PDF
  9. F. Gruet, F. Vecchio, C. Affolderbach, Y. Pétremand, N. F.de Rooij, T. Maeder, G. Mileti, A miniature frequency-stabilized VCSEL system emitting at 795 nm based on LTCC modules, Optics and Lasers in Engineering, 51, issue 8, 1023–1027, (2013). PDF