Développement d'une horloge atomique sur puce à atomes : optimisation de la durée de cohérence et caractérisation préliminaire

Development of an atomic clock on an atom chip : Optimisation of the coherence time and preliminary characterisation

• Auteur / Autrice : Clément Lacroûte
• Direction : Noël Dimarcq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Horloge atomique compacte

Puce à atomes

Condensat de Bose-Einstein

Durée de cohérence

Horloge à atomes piégés

Etalon secondaire

Résumé

Nous décrivons la construction et la caractérisation préliminaire d'une horloge atomique sur puce à atomes, visant une stabilité de quelques 10-13 à 1s. La transition d'horloge est définie par la transition micro-onde à deux photons entre les niveaux |F=1,mF=-1> et |F=2,mF=1> du 87Rb, qui peuvent être piégés magnétiquement. Une puce à atomes permet de générer le piège magnétique et de refroidir les atomes par évaporation forcée à une température de quelques centaines de nK, pouvant atteindre la température de condensation de Bose-Einstein. Le signal micro-onde de spectroscopie est couplé aux atomes à l'aide d'un guide d'onde coplanaire intégré à la puce ; l'ensemble du cycle d'horloge est donc effectué dans un volume réduit de (5 cm)3. Nous décrivons tout d'abord le dispositif expérimental permettant de mettre en oeuvre l'ensemble du cycle d'horloge, et notamment le banc optique développé et caractérisé dans le cadre de cette thèse. Nous présentons ensuite les résultats obtenus en terme de refroidissement atomique, qui se traduisent par l'obtention de condensats de Bose-Einstein de 3 104 atomes. Nous présentons enfin les résultats obtenus par spectroscopie de Ramsey de la transition d'horloge. Nous mesurons une durée de cohérence supérieure à 10 secondes, dominée par les pertes atomiques et non par le déphasage introduit par le piège magnétique, comme on aurait pu s'y attendre. Avec une durée de Ramsey de 3 secondes, la première évaluation de la stabilité de l'horloge donne 6 10-12 à 1 s, limitée par le bruit technique du dispositif. L'objectif est d'atteindre une stabilité de l'ordre de 10-13 à 1s, meilleure que celle des horloges commerciales actuelles.

We describe the construction and preliminary characterisation of an atomic clock on an atom chip. A sample of magnetically trapped 87Rb atoms is cooled below 1 µK, where Bose-Einstein condensation can take place. The trapped states |F,mF>=|1,-1> and |2,1> define our clock transition, which is a two-photon – microwave and RF – transition. Atoms are trapped around a field B0 = 3. 23 G for which there is only a second-order Zeeman shift of the clock frequency, which reduces the sensitivity of the clock to magnetic field fluctuations. We have designed an atom chip that includes a microwave coplanar waveguide which drives the 6. 835 GHz transition. The whole clock cycle is performed in the vicinity of the chip surface, making the physics package compact (5 cm)3. We first describe the experimental setup of the clock, and the optical bench that has been developed and characterised during this thesis. We then give the results obtained for atom cooling, which led to obtaining a 3 104 atoms Bose-Einstein condensate. We finally present the results obtained by Ramsey spectroscopy of the clock transition. We measure coherence times exceeding 10 seconds with our setup, dominated by atom losses. The decoherence by dephasing due to the inhomogeneous trapping potential is negligible for our experimental parameters, contrarily to what one could expect. A preliminary measurement shows that the clock relative frequency stability is of 6 10-12 at 1 s, and is limited by technical. Our goal is to reach a stability in the low 10-13 at 1s, i. E. Better than commercial clocks and competitive with today's best compact clocks.