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Towards Neutral-atom Space Optical Clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems

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Les horloges atomiques se préparent pour le terrain et pour l'espace

Des chercheurs financés par l'UE ont réussi à mettre au point une horloge atomique optique modulaire dotée d'une instabilité de fréquence à l'échelle du 1x10-16. Ces travaux constituent une avancée majeure vers la mise au point d'un prototype d'horloge optique spatiale pour une mission de l'ESA.

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Au centre de toute horloge se trouve un phénomène d'oscillation qui se produit à intervalles très réguliers, qu'il s'agisse d'un pendule basculant ou d'oscillations par tension d'un cristal de quartz. Les pièces mécaniques et électromécaniques ont toutefois tendance à être sensibles aux changements de température et au vieillissement, malgré des conceptions ingénieuses. En outre, le besoin croissant de plus de précision a entraîné l'apparition d'oscillateurs avec de plus hautes fréquences. Les horloges atomiques optiques utilisent la fréquence des transitions d'électrons d'une orbite atomique à une autre. Ces fréquences sont optiques et très élevées par rapport à celles des micro-ondes traditionnelles. Cette approche représente une étape révolutionnaire dans les normes du temps, étape permise grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la technologie laser et de l'optique quantique. Les horloges atomiques optiques seront privilégiées aux modèles atomiques à base de césium, qui utilisent une fréquence micro-onde. Dans les horloges atomiques à réseau optique, les atomes froids sont attirés dans une onde laser sous la forme d'une onde stationnaire (réseau optique). Des milliers d'atomes sont confinés simultanément. En réglant la lumière laser de réseau sur une longueur d'onde soigneusement déterminée, ses effets sur les transitions des électrons peuvent être minimisés. Les horloges atomiques optiques sont donc capables d'une précision et d'une stabilité inégalées. Grâce au soutien de l'UE apporté au projet SOC2 (Towards neutral-atom space optical clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems), une équipe de chercheurs a mis au point les composants et les sous-systèmes stratégiques essentiels nécessaires à la réalisation d'horloges atomiques à réseau optique ultra-précises, convenant au transport, voire à une utilisation dans l'espace. Les chercheurs ont travaillé avec des atomes d'ytterbium (Yb) et de strontium (Sr). Les scientifiques du projet SOC2 ont développé les sous-systèmes laser nécessaires et les ont intégrés avec des sous-systèmes atomiques pour le strontium et l'ytterbium dans des systèmes d'horloges complets. Ils ont ainsi réalisé la première horloge atomique à réseau optique véritablement polyvalente. Pour l'horloge basée Sr, ils ont conçu des sous-systèmes de stabilisation des fréquences solides et compacts basés sur des cavités optiques, un ralentisseur d'atome à aimant permanent et une chambre d'atome très compacte. Par ailleurs, un four compact et basse consommation fournit les atomes à la chambre. L'appareil produit des atomes de Sr ultra-froids à une température de l'ordre du micro Kelvin dans un réseau optique. Les propriétés de l'horloge, comme les changements systématiques de la fréquence de transition et l'instabilité, ont été caractérisées pour l'isotope bosonique 88Sr et ont fait état d'excellents résultats, dont une instabilité de fréquence à l'échelle du 1x10-16. Pour l'horloge basée Yb, les scientifiques ont développé des lasers à diode à cavité externe avec des filtres d'interférence à bande étroite qui garantissent une meilleure stabilité par rapport aux lasers stabilisés par grille généralement utilisés. L'appareil a été pleinement opérationnel. Il a fonctionné automatiquement et de manière très stable pour plusieurs heures d'utilisation continue. Une caractérisation métrologique préliminaire a été réalisée à l'Université de Düsseldorf. Elle a ensuite été transportée en camionnette de l'Université de Düsseldorf à l'Institut italien de métrologie (INRiM) à Turin, remise en marche avant de faire le trajet inverse. Les horloges atomiques optiques SOC2, une fois finalisées, constitueront des maquettes de démonstration pour les futures horloges à utiliser dans les expériences spatiales, en particulier pour effectuer un essai plus précis d'un aspect fondamental de la théorie de la relativité d'Einstein, la dilatation du temps. L'horloge spatiale sera aussi très utile pour produire des fréquences ultra-stables à l'échelle de la Terre et pour permettre la géodésie relativiste, une nouvelle approche de la mesure du potentiel gravitationnel de la planète. Une mission de l'ASE est d'ailleurs en préparation et les chercheurs du projet SOC2 y jouent un rôle majeur.

Mots‑clés

Horloges atomiques, horloges optiques, lasers semi-conducteurs, atomes froids, technologie quantique, SOC2, espace, physique fondamentale, géodésie

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