Les horloges `a jet thermique de c´esium ont marqu´e les premiers pas de la m´etrologie du temps atomique. Le premier ´etalon utilisant ce principe a ´et´e construit en 1955 au National Phy-sical Laboratory (NPL). Longtemps rest´es les seuls ´etalons primaires de fr´equences, la plupart des laboratoires de m´etrologie ont ´etudi´e ces ´etalons en d´etails et ont contribu´e progressivement `
a leurs am´eliorations.
D´esormais, la plupart des laboratoires ont stopp´e le d´eveloppement de ces ´etalons comme ´
etalons primaires, supplant´es par les ´etalons `a atomes froids, les fontaines atomiques. Toute-fois, la grande exp´erience acquise sur les technologies impliqu´ees a permis de placer ces ´etalons dans une logique industrielle. Aussi plusieurs entreprises commercialisent, et ce depuis de nom-breuses ann´ees, des horloges `a jets de c´esium, permettant de disposer d’une r´ef´erence absolue de fr´equence dans un volume raisonnable. De ce fait, les horloges `a jet thermiques sont, et de loin, les ´etalons primaires les plus utilis´ee au monde. Grˆace `a leur bonne stabilit´e long-terme (sans d´erive) elles assurent une contribution majeure `a la construction des ´echelles de temps dans les diff´erents laboratoires de m´etrologie.
Leur principe de fonctionnement est sch´ematis´e figureA.4, il est le suivant:
La source est un jet d’atomes provenant d’un four contenant quelques grammes de c´esium. La temp´erature de ce four permet de r´eguler le flux atomique traversant l’enceinte. Une ga-lette de micro-canaux permet de collimater ce jet atomique. La vitesse moyenne du jet est de 200 m.s−1 pour un flux sortant de 1014 atomes/sec correspondant `a une consommation de 1g de Cs par an. Les atomes sortant du four sont ´equir´epartis sur les 16 sous-niveaux Zeeman des deux niveaux hyperfins. Afin de ne pas perturber l’interrogation les atomes subissent une ´etape de pr´eparation destin´e `a s´electionner uniquement ceux pr´esents dans un des deux ´etats de la transition d’horloge. Cette ´etape peut ˆetre r´ealis´ee de mani`ere tr`es diff´erente et c’est principa-lement elle qui marque la diff´erence entre les diff´erents types d’´etalons `a jet thermique. Nous y reviendrons plus bas. Les atomes traversent ensuite une cavit´e micro-onde de Ramsey. Elle est compos´ee de deux bras dont l’´ecartement fixe le temps d’´evolution libre T . Ce temps varie entre 1 ms (mod`eles industriels compacts) et 5 ms (´etalons de laboratoire). Bien ´evidemment un long temps d’interaction est `a la fois synonyme de performances accrues mais aussi d’un encombrement plus grand. Apr`es avoir subi l’interaction micro-onde, on d´etecte l’une des deux populations Ne ou Nf en utilisant un dispositif `a fil chaud (´etalon `a deflexion magn´etique) ou optiquement par fluorescence.
Les ´etalons `a d´eflexion magn´etique Les meilleurs ´etalons commerciaux `a d´efl´exion magn´etique, comme l’horloge 5071A d´evelopp´ee d´esormais par Symmetricomr, affichent des stabilit´es de l’ordre de 5 10−12τ−1/2avec un palier inf´erieur `a 10−14et des exactitudes meilleures que 2 10−13 dans un volume de 30 litres environ. Leur dur´ee de vie, limit´ee par la quantit´e de c´esium dans le four, est de l’ordre de 7-8 ans.
Les ´etalons `a pompage optique Le d´eveloppement des lasers `a semiconducteurs a permis de disposer de sources ´emettant `a la longueur d’onde de la raie D2 du 133Cs soit 852 nm. On peut ainsi r´ealiser les ´etapes de s´election et de d´etection par voie optique. Ces techniques plus ou moins raffin´ees ont permis une am´elioration notable des ´etalons `a jet. Il n’existe pas encore d’horloge `a jet pomp´e optiquement dans le commerce. On peut citer toutefois le d´eveloppement d’une telle horloge dans le cadre du projet OSCC soutenu par l’ESA [97]. Ce projet vise `a
A.1. Etat de l’art des horloges atomique `a l’´et´e 2008 183
Fig. A.1 – Photos de diff´erentes horloges `a jet thermique. A gauche: l’horloge commercial 5071A. A droite: le jet thermique de laboratoire NIST-7
Fig. A.2 – R´esonance atomique d’une horloge `a jet thermique, ici de l’horloge JPO du LNE-SYRTE. Le pi´edestal de Rabi `a une largeur de 20 kHz, la frange centrale de Ramsey est large de 100 Hz. Les figures sont extraites de [99]
la r´ealisation d’une horloge utilisant une seule fr´equence laser et atteignant une stabilit´e de l’ordre de 10−12τ−1/2. On citera aussi l’horloge Cs4 d´evelopp´ee au LHA puis au LNE-SYRTE qui, utilisant la transition cyclante pour la d´etection, montre des stabilit´es de 1.4 10−12τ−1/2 [98]. A titre indicatif, le meilleur ´etalon de laboratoire de ce type, l’horloge JPO (Jet Pomp´e Optiquement) d´evelopp´ee au LNE-SYRTE, affiche une exactitude de 6 10−15 et une stabilit´e de 3 10−13τ−1/2 [99].
En termes de performances, les meilleurs ´etalons compacts `a jet paraissent limit´es en sta-bilit´e vers 10−12τ−1/2 avec un palier flicker vers 5 10−15 et en exactitude vers 10−13.
Concernant la dur´ee de vie, les ´etalons `a deflexion magn´etique, dont le principe est relative-ment simple et robuste, semblent ˆetre limit´es par l’approvisionnement en c´esium. La consom-mation typique ´etant de l’ordre de 1 g/an. Les ´etalons `a pompage optique peuvent quant `a eux ˆetre aussi sujets aux dysfonctionnement des sources laser `a 852 nm, composants encore sensibles ´electriquement.
184 Annexe A. Etat de l’art des horloges atomiques
Fig. A.3 – Principe de fonctionnement d’une horloge `a jet thermique `a deflexion magn´etique. Les ´etalons dits `
a d´eflexion magn´etique reposent sur une s´election magn´etique des atomes. Un aimant cr´e´e un fort champ qui permet de d´evier s´electivement les atomes selon leur ´etat interne car ils pr´esentent des moments magn´etiques diff´erents. Ainsi seuls les atomes dans le bon ´etat d’horloge traversent la cavit´e d’interrogation (soit environ 1/16 du flux sortant du four), les autres ´etant absorb´es par un revˆetement en graphite. A titre indicatif l’angle de d´eviation est de l’ordre de 1°. A l’issue de l’interrogation un second aimant permet de s´eparer les atomes des deux ´etats d’horloge. Seuls ceux pr´esents dans |ei sont d´evi´es vers un dispositif de d´etection `a fil chaud. Ce fil chauff´e `a 1000°C environ ionise les atomes de c´esium en Cs+
. La population Ne est alors proportionnel au courant ionique mesur´e. Figure tir´ee du site du NRC (http : //inms − ienm.nrc − cnrc.gc.ca/f aqtimee.html )
Fig. A.4 – Principe de fonctionnement d’une horloge `a jet thermique `a pompage optique, en l’occurrence l’horloge JPO du LNE-SYRTE. Le pompage optique a pour but de maximiser la fraction utile d’atomes participant au signal d’horloge. A l’aide d’une fr´equence laser on peut pomper tous les atomes dans un seul niveau hyperfin ce qui double approximativement le nombre d’atomes utiles. Par ailleurs, la d´etection peut ˆetre aussi am´elior´ee en utilisant la transition cyclante6S1/2|F = 4i →6
P3/2|F = 5i. Un atome pr´esent dans |F = 4i peut alors diffuser un grand nombre de photons de fluorescence. Le rapport signal `a bruit s’en trouve donc nettement augment´e. La figure est extraite de [99]
A.1. Etat de l’art des horloges atomique `a l’´et´e 2008 185