Fontaine atomique double de césium et de rubidium avec une exactitude de quelques 1E-16 et applications

par Frédéric Chapelet

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philip Tuckey.

Soutenue en 2008

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Métrologie temps-fréquence
• Atomes froids
• Invariance de Lorentz
• Constante de structure fine
• Temps Atomique International
• Atomes
• Horloges atomiques

Résumé

Les fontaines atomiques constituent le développement le plus abouti des horloges atomiques fondées sur l’atome de césium, atome dont une résonance hyperfine est depuis 1967 à la base de la définition la seconde. Ces systèmes sont aujourd’hui parmi ceux qui réalisent la seconde avec la meilleure exactitude. Nous présentons les dernières avancées de la fontaine double à atomes froids de césium et de rubidium du LNE-SYRTE. Combinant deux types d’atomes, ce dispositif unique au monde permet d’envisager des tests de physique fondamentale reposant sur la comparaison de fréquences de transition atomique avec une résolution exceptionnelle. Afin d’autoriser le fonctionnement à deux atomes simultanément, nous avons conçu, testé et mis en place de nouveaux systèmes optiques, chargés de combiner les lumières utiles à la manipulation des deux espèces atomiques. Sans attendre le fonctionnement double, par la comparaison de notre fontaine rubidium avec une autre fontaine césium, nous avons pu tester sur dix ans la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 5E-16 par an. Nous avons poursuivi le travail d’amélioration de l’exactitude de l’horloge et focalisé nos efforts sur les effets liés aux gradients de phase dans la cavité d’interrogation et sur l’atténuation des fuites micro-ondes. L’exactitude de la fontaine a alors été évaluée à 4E-16 pour la partie césium et 5E-16 pour la partie rubidium rénovée. Instrument de métrologie puissant, notre fontaine a été impliquée dans de nombreuses comparaisons d’horloges et a contribué à maintes reprises à l’étalonnage du Temps Atomique International. Nous avons également pu mener avec elle un test inédit de l’invariance de Lorentz.

Titre traduit

Dual cesium and rubidium atomic fountain with a 1E-16 level accuracy and applications

Résumé

Atomic fountains are the most accomplished development of atomic clocks based on the cesium atom whose hyperfine resonance defines the SI second since 1967. Today these systems are among those which realize the second with the best accuracy. We present the last developments of the cold cesium and rubidium atom dual fountain experiment at LNE-SYRTE. This unique dual setup would allow obtaining an outstanding resolution in fundamental physics tests based on atomic transition frequency comparisons. In order to enable operation with both atomic species simultaneously, we have designed, tested and implemented on the fountain new collimators which combine the laser lights corresponding to each atom. By comparing our rubidium fountain to another cesium fountain over a decade, we performed a test of the stability of the fine structure constant at the level of 5E-16 per year. We carried on the work on the clock accuracy and we focused on the phase gradients effects in the interrogation cavity and on the microwave leakage. The fountain accuracy has been evaluated to 4E-16 for the cesium clock and to 5E-16 for the refurbished rubidium clock. As a powerful instrument of metrology, our fountain was implicated in many clock comparisons and contributed many times to calibrate the International Atomic Time. Furthermore, we used the fountain to perform a new test of Lorentz local invariance.