Horloges optiques

Horloges optiques
Jérôme Lodewyck
J. Lodewyck — Horloges optiques
1/21
Principe d’une horloge atomique
Oscillateur :
→ onde électromagnétique (micro-onde : 9,2 GHz, laser : 429 THz)
→ asservie sur un résonateur macroscopique (oscillateur cryo., cavité
FP de grande finesse)
J. Lodewyck — Horloges optiques
2/21
Principe d’une horloge atomique
Oscillateur :
→ onde électromagnétique (micro-onde : 9,2 GHz, laser : 429 THz)
→ asservie sur un résonateur macroscopique (oscillateur cryo., cavité
FP de grande finesse)
|ei
ν0
|f i
Référence de fréquence :
→ transition atomique (micro-onde : Cs, Rb; optique : Sr. . . )
J. Lodewyck — Horloges optiques
2/21
Principe d’une horloge atomique
Oscillateur :
→ onde électromagnétique (micro-onde : 9,2 GHz, laser : 429 THz)
→ asservie sur un résonateur macroscopique (oscillateur cryo., cavité
FP de grande finesse)
|ei
ν(t) = ν0 (1 + + δν(t))
ν0
|f i
Référence de fréquence :
→ transition atomique (micro-onde : Cs, Rb; optique : Sr. . . )
Performances :
→ exactitude = incertitude sur les effets systématiques → stabilité = fluctations résiduelles de fréquence δν(t)
J. Lodewyck — Horloges optiques
2/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
J. Lodewyck — Horloges optiques
3/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
J. Lodewyck — Horloges optiques
4/21
Motivation pour les fréquences optiques
Horloges micro-onde (fontaines) à leurs performances ultimes
√
exactitude = 3, 8 × 10−16 , stabilité = 1, 6 × 10−14 / τ
Tests de variation des contantes fondamentales (α, PRL 90 150801)
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5/21
Motivation pour les fréquences optiques
Horloges micro-onde (fontaines) à leurs performances ultimes
√
exactitude = 3, 8 × 10−16 , stabilité = 1, 6 × 10−14 / τ
Horloges optiques : fréquence 104 à 105 fois plus élevée
⇒ en valeur relative, les effets sont réduits !
Mais Les effets motionnels (Doppler) restent. . .
⇒ piégeage nécessaire.
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5/21
Deux méthodes de piégeage
Ions piégés :
Piégeage d’un ion dans un piège de
paul (champ RF)
Piège peu perturbateur
⇒ excellente exactitude
Al+ NIST : 9 × 10−18
Stabilité à l’état l’art
√
(3 × 10−15 / τ )
Mais limitée par le bruit de
projection quantique (1 seul ion)
J. Lodewyck — Horloges optiques
6/21
Deux méthodes de piégeage
Ions piégés :
Piégeage d’un ion dans un piège de
paul (champ RF)
Piège peu perturbateur
⇒ excellente exactitude
Al+ NIST : 9 × 10−18
Stabilité à l’état l’art
√
(3 × 10−15 / τ )
Mais limitée par le bruit de
projection quantique (1 seul ion)
En développement :
NIST : Al+ , Al+ , Hg+
Europe : PTB, NPL, . . .
France : Université de Provence
(Ca+ )
J. Lodewyck — Horloges optiques
6/21
Deux méthodes de piégeage
Ions piégés :
Piégeage d’un ion dans un piège de
paul (champ RF)
Atomes neutres : Horloges à
réseau optique développées depuis
2003
Piège peu perturbateur
⇒ excellente exactitude
Al+ NIST : 9 × 10−18
Piège intense ⇒ perturbateur,
mais contrôlé
Stabilité à l’état l’art
√
(3 × 10−15 / τ )
Mais limitée par le bruit de
projection quantique (1 seul ion)
Grand nombre d’atomes (104 )
⇒ stabilité ultime élevée
√
Actuellement 2 × 10−15 / τ
Exact. : 2 × 10−16 , en progrès
En développement :
NIST : Al+ , Al+ , Hg+
Europe : PTB, NPL, . . .
France : Université de Provence
(Ca+ )
J. Lodewyck — Horloges optiques
6/21
Deux méthodes de piégeage
Ions piégés :
Piégeage d’un ion dans un piège de
paul (champ RF)
Atomes neutres : Horloges à
réseau optique développées depuis
2003
Piège peu perturbateur
⇒ excellente exactitude
Al+ NIST : 9 × 10−18
Piège intense ⇒ perturbateur,
mais contrôlé
Stabilité à l’état l’art
√
(3 × 10−15 / τ )
Mais limitée par le bruit de
projection quantique (1 seul ion) En
Grand nombre d’atomes (104 )
⇒ stabilité ultime élevée
√
Actuellement 2 × 10−15 / τ
NIST :
Al+ ,
développement :
Sr : Tokyo, JILA, SYRTE, PTB
En développement :
Al+ ,
Exact. : 2 × 10−16 , en progrès
Hg+
Yb : NIST, NMIJ, INRIM
Europe : PTB, NPL, . . .
Hg : SYRTE
France : Université de Provence
(Ca+ )
Sr : Chine, Japon, NPL,
Florence, Birmingham. . .
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Horloges à réseau optique : état de l’art
Fréquence des horloges strontium
Principe de fonctionnement démontré au niveau de 10−17 (Sr, Yb)
Limite fondamentale : rayonnement du corps noir
Horloge Hg (SYRTE) → 10−18
Cryogénie
Tests de gravitation non-relativiste couplage des constantes au
champ gravitationnel PRL 100 140801
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7/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
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8/21
Cavité de grande finesse
Laser asservi sur une cavité Fabry-Perot de grande finesse
Disposition horizontale (Sr), verticale
(Hg)
Corps en ULE, miroirs en silice
Finesse = 568 000
Double système à vide
3 boucliers thermiques dorés
Compensation des vibrations
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9/21
Performances
Stabilité thermique :
20
Time constant = 4 days
0.5
Initial control
Temperature impulse
frequency (MHz)
15
1
10
5
0
Temperature (mK)
1.5
0
55030 55035 55040 55045 55050 55055 55060 55065
MJD
10
0
0
-1
-10
-20
-2
-30
-3
-40
-4
Temperature (nK/s)
drift (Hz/s)
1
-50
-5
-60
-6
55030 55035 55040 55045 55050 55055 55060 55065
MJD
dérive < 100mHz/s
prédictible
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10/21
Performances
Stabilité thermique :
20
Time constant = 4 days
0.5
Initial control
10
5
0
10−14
0
55030 55035 55040 55045 55050 55055 55060 55065
MJD
1
10
0
0
-1
-10
-20
-2
-30
-3
-40
-4
Temperature (nK/s)
drift (Hz/s)
Stabilité de fréquence du laser asservi
(mesurée par rapport aux atomes) :
Écart type d’Allan relatif
1
Temperature impulse
frequency (MHz)
15
Temperature (mK)
1.5
10−15
Bruit thermique des miroirs
-50
-5
-60
-6
55030 55035 55040 55045 55050 55055 55060 55065
MJD
−16
10
1
10
100
1000
Temps d’intégration τ (s)
dérive < 100mHz/s
prédictible
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10/21
Spectroscopie
Bandes latérales
motionnelles
|f ;ni→|e;ni
0.5
|f ;ni→|e;n+1i
Probabilité de transition
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
|f ;ni→|e;n−1i
0.15
0.1
0.05
0
−400 −300 −200 −100
0
100
200
300
400
Fréquence du laser d’horloge (kHz)
Tk = 10 µK
T⊥ = 20 µK
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11/21
Spectroscopie
Bandes latérales
motionnelles
Résonance d’horloge
|f ;ni→|e;ni
0.9
0.5
Probabilité de transition
Probabilité de transition
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.8
|f ;ni→|e;n+1i
0.45
|f ;ni→|e;n−1i
0.15
0.7
0.6
0.5
3 Hz
0.4
0.3
0.2
0.1
0.1
0.05
0
−400 −300 −200 −100
0
0
100
200
Fréquence du laser d’horloge (kHz)
Tk = 10 µK
T⊥ = 20 µK
J. Lodewyck — Horloges optiques
300
400
−8
−6
−4
−2
0
2
4
6
8
Fréquence du laser d’horloge (Hz)
Q = 1014
11/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
J. Lodewyck — Horloges optiques
12/21
Piégeage d’atomes neutres : effets du piège
Piégeage dipolaire dans un réseau optique
Régime de Lamb-Dicke ⇒ effets motionnels
négligeables
Mais déplacement de ν qui dépend de
l’intensité et de la polarisation du piège (ex.
100 kHz, ou 10−11 ).
→ difficilement contrôlable
J. Lodewyck — Horloges optiques
13/21
Piégeage d’atomes neutres : effets du piège
Piégeage dipolaire dans un réseau optique
Régime de Lamb-Dicke ⇒ effets motionnels
négligeables
Mais déplacement de ν qui dépend de
l’intensité et de la polarisation du piège (ex.
100 kHz, ou 10−11 ).
→ difficilement contrôlable
Solution :
Transition J = 0 −→ J = 0 :
peu sensible à la polarisation.
∃ λpiège telle que les
déplacements des deux niveaux
d’horloges sont identiques.
Alcalino-terreux : Sr, Yb, Hg,
Mg
J. Lodewyck — Horloges optiques
13/21
Piégeage d’atomes neutres : effets du piège
Effets plus petits
Décalage vector shift
Décalage tensor shift
Hyperpolarizabilité
Décalage M1/E2
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14/21
Piégeage d’atomes neutres : effets du piège
Effets plus petits
Décalage vector shift : première observation
Décalage tensor shift : première observation (précision de 6%)
Hyperpolarizabilité : borne supérieure améliorée 60×
Décalage M1/E2 : première borne supérieure
Détermination de la longueur d’onde margique améliorée 10×
Tous ces effets sont au niveau 10−17 pour un piège assez profond (150 Er )
J. Lodewyck — Horloges optiques
14/21
Piégeage d’atomes neutres : effets du piège
Effets plus petits
Décalage vector shift : première observation
Décalage tensor shift : première observation (précision de 6%)
Hyperpolarizabilité : borne supérieure améliorée 60×
Décalage M1/E2 : première borne supérieure
Détermination de la longueur d’onde margique améliorée 10×
Tous ces effets sont au niveau 10−17 pour un piège assez profond (150 Er )
Applications
Repousse le niveau des perturbations aux faibles profondeurs
Facilité d’utilisation à grande profondeur
Possibilité de contrôler certains effets systématiques :
Collisions entre atomes froids favorisées par l’effet tunnel
Déplacement de la résonance par les bandes latérales motionnelles
J. Lodewyck — Horloges optiques
14/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
J. Lodewyck — Horloges optiques
15/21
Comparaison d’horloges
Horloge Hg en développement au SYRTE :
Caractérisation de la longueur d’onde magique
Vers l’observation de résonances fines
Comparaison à distance :
Liens fibrés
Projet ACES
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16/21
Comparaison d’horloges
Horloge Hg en développement au SYRTE :
Caractérisation de la longueur d’onde magique
Vers l’observation de résonances fines
Comparaison à distance :
Liens fibrés
Projet ACES
⇒ Nouvelle horloge à réseau optique au
strontium
Excellent outil pour la caractérisation des effets systématiques
Comparaison directe (pas besoin d’un laser femto-seconde)
Écart de fréquence nul attendu
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16/21
Comparaison Strontium 1 vs Strontium 2
Stabilité
Écart type d’Allan relatif
10−14
10−15
10
−16
10−17
0.1
1
10
100
1000
10000
Temps d’intégration τ (s)
→ Niveau de 10−16 en 1000 s
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17/21
Comparaison Strontium 1 vs Strontium 2
Exactitude
Différence de fréquence entre Sr 2 et Sr 1 (Hz)
Stabilité
10
−15
10
−16
0
−5
−10
−15
−20
−25
0
2
4
6
8
10
Champ magnétique (G)
0.1
1
10
100
1000
Temps d’intégration τ (s)
→ Niveau de 10−16 en 1000 s
J. Lodewyck — Horloges optiques
10000
1
2
0.5
1
0
0
−1
−0.5
−2
−1
−3
−1.5
−4
−2
−5
−2.5
−3
Écart relatif (x10−15)
10−17
Différence de fréquence entre Sr 2 et Sr 1 (Hz)
Écart type d’Allan relatif
10−14
5
−6
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Champ magnétique (G)
17/21
Plan
1
État de l’art
2
Oscillateur ultra-stable
3
Horloges à réseau optique : effets du piège
4
Comparaison d’horloges optiques
5
Stabilité : perspectives
J. Lodewyck — Horloges optiques
18/21
Stabilité : perspectives d’amélioration
3 sources de bruits contribuent à la stabilité :
Le
→
→
→
bruit de projection√quantique
croı̂t comme 1/Q N
√
limitant au niveau de 10−15 / τ pour les horloges à ions
√
au niveau de 10−17 / τ pour les horloges à réseau optique
J. Lodewyck — Horloges optiques
19/21
Stabilité : perspectives d’amélioration
3 sources de bruits contribuent à la stabilité :
Le
→
→
→
Le
→
bruit de projection√quantique
croı̂t comme 1/Q N
√
limitant au niveau de 10−15 / τ pour les horloges à ions
√
au niveau de 10−17 / τ pour les horloges à réseau optique
bruit de détection
√
au niveau de 10−16 / τ
J. Lodewyck — Horloges optiques
19/21
Stabilité : perspectives d’amélioration
3 sources de bruits contribuent à la stabilité :
Le bruit de projection√quantique
→ croı̂t comme 1/Q N
√
→ limitant au niveau de 10−15 / τ pour les horloges à ions
√
→ au niveau de 10−17 / τ pour les horloges à réseau optique
Le bruit de détection
√
→ au niveau de 10−16 / τ
L’effet Dick : échantillonage du bruit du laser
→ conversion du bruit haute fréquence du laser d’horloge
→ Effet prédominant pour les horloges à réseau optique :
√
2 × 10−15 / τ
J. Lodewyck — Horloges optiques
19/21
Stabilité : perspectives d’amélioration
3 sources de bruits contribuent à la stabilité :
Le bruit de projection√quantique
→ croı̂t comme 1/Q N
√
→ limitant au niveau de 10−15 / τ pour les horloges à ions
√
→ au niveau de 10−17 / τ pour les horloges à réseau optique
Le bruit de détection
√
→ au niveau de 10−16 / τ
L’effet Dick : échantillonage du bruit du laser
→ conversion du bruit haute fréquence du laser d’horloge
→ Effet prédominant pour les horloges à réseau optique :
√
2 × 10−15 / τ
Possibilités d’amélioration
Amélioration du rapport cyclique de l’horloge (réduction des temps
morts)
Nouvelles cavités (plus longues, refroidies)
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19/21
Conclusions et perspectives
Conclusion
Comparaison d’horloges à réseau optique
→ stabilité remarquable
Perpectives
Encore un ordre de grandeur sur la stabilité et l’exactitude :
Limite pour l’exactitude : BBR, ' 10−17
→ Horloge Hg, cryogénie
√
Stabilité de ' 10−16 / τ avec une séquence optimisée
Applications
Participation au segment sol de Pharao/ACES
→ Comparaisons internationales d’horloges
→ Tests de physique fondamentale (relativiste)
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20/21