Intérêts et enjeux d’une horloge basée sur l’atome de Stron-

Une horloge basée sur une transition optique, avec des atomes neutres en ré- seau, apparaît donc comme une approche combinant les avantages des références de fréquence basées sur les ions, notamment en terme de maîtrise des effets liés au mouvement, mais avec un rapport signal sur bruit potentiellement aussi bon que celui atteint par les fontaines. La dernière question est de sélectionner l’atome que l’on veut utiliser, et ce choix relève d’un compromis entre les caractéristiques métrologiques intrinsèques à une espèce et les contraintes techniques qui sont as- sociées à sa manipulation.

Description de l’atome de Strontium

Le Strontium est un alcalino-terreux, il se trouve abondamment dans la nature, où il se présente sous quatre formes isotopiques, trois bosoniques et une fermio- nique, dans les proportions suivantes [98] :

p/D

(m

H

z)

FIGURE 1.12 – Décalage de fréquence de la porteuse en fonction du temps d’interac- tion du laser sonde lorsque la fonction d’onde initiale est une superposition cohérente de plusieurs états de Wannier-Stark. Différentes fonctions d’onde initiales sont testées : ligne continue : agn(t = 0) = ag_n+1(t = 0) pour tout n, ligne discontinue : agn(t = 0) = ag_n+1(t = 0)eiπ/2, ligne pointillée : ag₋₁(t = 0) = ag₀(t = 0), les autres coefficients étant nuls. On se place dans une configuration où Ω0/2π=10 Hz et U0= 5 Er, le temps d’interaction correspondant t correspondant à un pulse π est t∆g/2π = 43, 70. Les cas où les phases relatives sont bien définies entraînent les déplacement de fréquence les plus importants, si les phases sont aléatoires, on a une moyenne et la situation est plus favorable.

TABLE1.2 – Liste des différents isotopes disponibles pour l’atome de Strontium

Isotope Abondance Spin nucléaire

84_{Sr 0,56 % 0}

86_{Sr 9,86 % 0}

87_{Sr 7,00 % 9/2} 88_{Sr 82,58 % 0}

L’isotope fermionique 87 s’avère être un candidat particulièrement intéressant pour une application métrologique, pour plusieurs raisons :

1.3. APPROCHES POSSIBLES POUR UN STANDARD BASÉ SUR UNE TRANSITION OPTIQUE SUR DES ATOMES PIÉGÉS 47

W p

FIGURE 1.13 –Déplacement de fréquence de la porteuse en fonction de la profondeur de modulation de l’asservissement. Ici encore Ω0/2π=10 Hz et U0= 5 Er, avec un temps d’interaction fixe respectant les critères1.31, l’état initial étant celui en trait plein sur le figure1.12.

rable, tant pour la manipulation des atomes que pour la spectroscopie, et les sources nécessaires pour exciter les transitions correspondantes sont re- lativement faciles à réaliser. La transition 1S₀ → 1_P

1, de largeur Γ = 32

MHz, permet un refroidissement Doppler efficace, bien que limité à une température de l’ordre du milliKelvin. Cette opération requiert un laser à 461 nm, qui n’est pas disponible commercialement, mais qui s’obtient faci- lement grâce au doublement de fréquence d’un laser à 922 nm (chapitre2). La transition1S0→ 3P1, de largeur Γ = 7, 6 kHz, permet potentiellement de

descendre près de la température de recul [99,100], de l’ordre du microKel- vin, et le laser nécessaire (689 nm) peut être par exemple une simple diode à cavité étendue, asservie sur une cavité ultrastable pour rendre sa largeur compatible avec celle de la transition.

Par ailleurs, comme cela a été indiqué auparavant, le spin nucléaire non nul (I = 9/2) de cet isotope induit un couplage hyperfin entre 3P₀ et 1P₁, la transition1S₀→ 3_P

0 à 698 nm devient faiblement permise dans ces condi-

tions, ce qui la place dans un position idéale pour être utilisée comme réfé- rence. Sa largeur naturelle est de l’ordre de 1 mHz [101], ce qui ne consti- tuera pas une limite expérimentale à court terme puisque les meilleurs lasers présentent une largeur supérieur de trois ordres de grandeur. Là encore, la source peut être une diode laser asservie sur une cavité ultrastable.

• L’existence d’une longueur d’onde magique pour le couple (1_S

0,3P0) permet

de se placer dans la configuration décrite dans le paragraphe1.3.2, c’est-à- dire l’annulation du déplacement lumineux induit par le réseau, et la faible sensibilité de 1S₀→ 3_P

3_S 1 3_P 1 3_P 0 3_P 2 1_S 0 1_P 1 461 nm 813 nm G= 32 MHz 707 nm 679 nm 671 nm G= 20 mHz Piège 698 nm G= 1 mHz 688 nm 689 nm G= 7,6 kHz

FIGURE 1.14 – Niveaux de plus basse énergie de l’atome de Strontium 87. Les deux

flèches épaisses symbolisent l’effet du piège dipolaire sur les niveaux1S₀et 3P0. Les tran- sitions1S0→ 1P1et1S0→ 3P1peuvent efficacement utilisées pour refroidir les atomes, la transition1S0→ 3P0 est celle sur laquelle on veut se baser pour l’horloge. L’état3S1 peut servir de relais vers les états3Pi, particulièrement les deux métastables3P0et3P2.

tère quasi J = 0 → J = 0 de la transition. De plus, le faisceau du piège à λmag 87Sr
' 813,42 nm peut provenir par exemple d’un laser Titane-

Saphir, potentiellement très puissant.

• Enfin, quand on refroidit des atomes, il reste essentiellement des collisions dans l’onde s, mais ces dernières deviennent interdites avec des fermions que l’on a polarisés pour les mettre dans le même état interne. Avec l’iso- tope 87 du Strontium, on s’expose donc à un faible déplacement de la fré- quence d’horloge dû aux collisions entre atomes froids.

On peut par ailleurs remarquer que l’isotope bosonique 88 possède des avan- tages complémentaires de ceux du 87 : il est très abondant, et peut servir de ré- férence si on rend la transition 1S₀→ 3_P

0 faiblement permise, par exemple en

mélangeant3P₀ avec 3P₁ grâce à un champ magnétique [102]. Une comparaison de deux horloges fonctionnant en parallèle et basées sur ces deux isotopes peut permettre de tirer des conclusions déterminantes au sujet des déplacements colli- sionnels sur le Strontium 88.

1.3. APPROCHES POSSIBLES POUR UN STANDARD BASÉ SUR UNE TRANSITION OPTIQUE SUR DES ATOMES PIÉGÉS 49

Cadre du travail de thèse réalisé

Toutes ces propriétés n’avaient pas encore été pleinement appréhendées lorsque le choix du LNE-SYRTE s’est porté sur l’atome de Strontium, en 1999. La struc- ture interne, avec notamment deux niveaux métastables disponibles 3P₀et3P₂
, et la faisabilité technique des lasers nécessaires ont été des points déterminants, mais le concept d’horloge à réseau optique n’est apparu qu’en 2001. Il avait d’ailleurs été envisagé au début de construire une horloge au Strontium de type fontaine, à l’instar de ce qui a été réalisé pour l’atome de Calcium [33,34].

Le premier piège magnéto-optique de ce projet a été obtenu en 2002 [103], et la transition d’horloge 1S₀ → 3_P

0 a été observée fin 2002, pour la première

fois de façon directe [104], ce qui a permis d’évaluer la valeur de la fréquence avec une incertitude de 20 kHz à l’époque. Ceci constituait le premier pas vers la réalisation d’un nouveau standard, mais, lorsque ce travail de thèse a débuté en 2003, plusieurs questions restaient encore en suspens quant à la faisabilité d’une horloge à réseau optique, la proposition de H. Katori demandant à être validée expérimentalement.

En premier lieu, il était nécessaire de vérifier le niveau d’annulation du dé- placement lumineux différentiel que l’on parvenait à atteindre. Par exemple, pour remplir l’objectif de 10−17d’incertitude relative avec un déplacement de 35 kHz, il faut contrôler l’annulation avec une précision de 10−7 du déplacement de cha- cun des niveaux. Ensuite, rien ne garantit a priori que les termes suivants de l’ac- tion du potentiel sont suffisamment faibles pour ne pas perturber l’horloge. Le terme du second ordre, appelé hyperpolarisabilité, traduit essentiellement l’exis- tence de couplage à deux photons à une longueur d’onde donnée :

νhorloge= νat− 1 4h  α|ei(λ`) − α|gi(λ`)  | {z } = 0 @ λmag E2 ` − 1 64h  γ|ei(λ`) − γ|gi(λ`)  E4 ` + ... (1.32) Une évaluation théorique des coefficients γ, effectuée pour λ = 800 nm, pré- disait un déplacement quadratique |∆ν(4)| inférieure à 2 µHz par énergie de recul au carré [37]. Mais cette évaluation dépendait de forces d’oscillateur mal connus entre les niveaux, et il s’est avéré par la suite que la longueur d’onde magique valait en fait environ 813,42 nm, or certaines transitions à deux photons sont très proches de cette valeur (à 813,36 nm et 818, 57 nm), ce qui pouvait potentiel- lement changer la valeur de |∆γ| de plusieurs ordres de grandeur. Ce problème laissait jusque récemment un doute sur la viabilité d’une référence de fréquence basée sur l’atome de Strontium : si on suppose qu’on peut contrôler U0à 1% près,

pour atteindre un niveau de contrôle de 10−17avec une profondeur U0= 10 Er , il

luation que nous avons effectuée (paragraphe4.4) a permis de démontrer que ce critère était en effet rempli.

Un autre interrogation était survenue lorsque les deux premières mesures de la valeur absolue de la fréquence d’horloge1S₀−3_P

0du Strontium 87, d’une préci-

sion affichée de l’ordre de 10−14, avaient été réalisées par deux groupes indépen- dants [39, 40]. Les deux résultats se trouvaient en désaccord de 83 Hz, avec des barres d’erreur inférieures à 20 Hz dans les deux cas. Ce désaccord, de l’ordre de 2.10−13en valeur relative, pouvait laisser penser qu’un effet systématique majeur n’était pas maîtrisé et entraînait la non reproductibilité d’une telle horloge. Ce doute a été levé par une troisième mesure indépendante que nous avons réalisée (chapitre 5), et qui se trouve être en excellent accord avec la mesure réalisée au JILA [40].

51

Chapitre 2

Réalisation d’une source à 461 nm

pour le refroidissement des atomes

de Strontium

2.1

Introduction

Avant de charger les atomes de Strontium dans le piège dipolaire, un refroidis- sement initial est nécessaire si on veut qu’une fraction significative de la distribu- tion de vitesse soit capturée par le potentiel. On produit un nuage d’atomes froids en réalisant un Piège Magnéto-Optique basé sur la transition bleue1S₀→ 1P₁ à 461 nm. Cette dernière est fortement cyclante (Γ461/2π = 32 MHz), le refroidis-

sement est donc rapide, et il présente une température Doppler limite de l’ordre du milliKelvin. L’intensité de saturation associée est Isat = 43 mW/cm2, si l’on

veut s’approcher de cette valeur pour tous les faisceaux de piégeage, on évalue les besoins à environ 200 mW de lumière bleue.

Il n’existe pas de diodes commerciales puissantes à 461 nm, seuls des lasers à colorant sont disponibles, mais ils sont peu pratique d’utilisation, il est néces- saire notamment de les stabiliser en fréquence et de changer le colorant souvent. L’approche communément utilisée est de faire appel à processus d’optique non linéaire. L’approche traditionnelle consiste à doubler une source à 922 nm en fréquence avec un cristal de niobate de Potassium (KNbO3), des efficacités de

conversion de l’ordre de 50 % ont été démontrées, ce qui permet d’obtenir des puissances de l’ordre de 200 mW [105, 106]. Mais il est nécessaire de chauffer le cristal assez fort pour atteindre un régime d’accord de phase non critique, or, comme on est à la limite d’une transition de phase du cristal, ceci présente le risque de le dégrader. Une autre solution est d’utiliser un cristal non linéaire qui sert en même temps de guide d’onde, mais le mode spatial n’est pas de très bonne qualité,

et, d’autre part, dans la mesure où ne peut pas le pomper avec une puissance trop importante, on est limité à une centaine de milliWatts en sortie [107].

En 2000, notre équipe avait réalisée une première source qui effectuait la somme entre la fréquence d’un laser YAG à 1064 nm et d’une diode à 813 nm dans un cristal de phosphate de potassium (KTP). Même si ce matériau présente un co- efficient non linéaire intrinsèque plus faible que celui du KNbO3, l’efficacité de

conversion demeure néanmoins très bonne dans la mesure où l’angle de double ré- fraction est nettement plus faible. Mais cette source fournissait une puissance limi- tée à une centaine de milliWatts, elle s’est de plus révélée assez difficile à maîtri- ser pour la plupart des utilisateurs. Plus récemment, des lasers à semi-conducteur pouvant délivrer des puissances de l’ordre du Watt dans le proche infrarouge sont apparus sur le marché, nous avons donc entrepris en 2003 la construction d’une nouvelle source bleue basée sur le doublage de fréquence d’un MOPA (Master Oscillator-Power Amplifier) à 922 nm dans un cristal périodiquement polarisé de KTP (PPKTP).

Dans ce chapitre, après des rappels d’optique non-linéaire sur le doublage de fréquence, la réalisation de ce nouveau laser bleu est détaillée et ses performances sont discutées. Nous avons également élaboré une chaîne ultra-vide munie de hu- blots adaptés aux besoins du réseau optique, elle sera décrite en même temps que les performances du ralentisseur Zeeman et du Piège Magnéto-Optique qui avaient été mis en place et décrits précédemment [101] seront rappelées.