Le bruit de projection quantique

Une fontaine à atomes de rubidium

Horloge spatiale: les projets PHARAO et ACES

Publications récentes

Horloges à atomes froids

M. Abgrall**,F.Allard**,S.Bize**D.Calonico**,A.Clairon**,  N.Dimarcq ** P.Laurent**, P.Lemonde**, C.Mandache**, G.Santarelli**,Y.Sortais**,   S.Zhang**,C. Salomon*,

* Laboratoire Kastler Brossel -Département de Physique de l'ENS
24 rue Lhomond - FR 75231 Paris Cedex 05

** Bureau National de Métrologie - Système de Référence Temps-Espace - SYRTE - Observatoire de Paris - 61, avenue de l'Observatoire - FR 75014 Paris

Quand les atomes sont lents, on peut les observer longtemps, ce qui offre la possibilité de mesurer avec une grande précision la fréquence correspondant à une transition entre deux niveaux d'énergie d'un atome. Les horloges les plus précises à ce jour sont les horloges atomiques, dont le principe utilise une fréquence associée à une transition atomique. On comprend donc que le refroidissement d'atomes soit intéressant pour mettre au point des horloges encore plus performantes. Ainsi, depuis 1998, l'horloge la plus précise au monde est l'horloge à fontaine à atomes froids du BNM-LPTF à l'Observatoire de Paris.

   Le bruit de projection quantique

   Dans un travail en collaboration avec l'université de Western Australia, spécialiste mondial des oscillateurs refroidis à l'hélium liquide avec un très faible bruit de phase, nous avons récemment montré que les fontaines à atomes de césium froids étaient limitées par un bruit fondamental, le bruit de projection quantique. Ce bruit est inversement proportionnel à la racine du nombre d'atomes détectés et pour 6 105 atomes, la stabilité atteint 4 10-14 t -1/2 où t est le temps d'intégration en seconde. Ceci constitue une amélioration d'un facteur 5 par rapport aux mesures précédentes et est actuellement un record pour les étalons primaires de fréquence.

   Au delà de 3 104 secondes, la stabilité de fréquence de la fontaine atteint la stabilité limite du maser: 6 10-16. Il est désormais crucial de disposer d'au moins un autre étalon à atomes froids pour étudier la stabilité dans la gamme des 10-16. Deux autres horloges à atomes froids viennent d'être achevées: le prototype spatial PHARAO testé en vols paraboliques d'avion en 1997 et modifié pour fonctionner également en fontaine atomique et une fontaine à rubidium.

   Une fontaine à atomes de rubidium

   Cette nouvelle fontaine à 87Rb est destinée à rechercher une éventuelle variation avec le temps de la constante de structure fine a. Depuis la proposition initiale de Dirac, ce sujet, la stabilité des constantes fondamentales de la physique, a toujours suscité un grand intérêt. Des théories modernes, issues de la théorie des cordes, prédisent une dérive temporelle de a et de nombreuses expériences dans plusieurs domaines de la physique se sont attachées à tester cette hypothèse.

   Le principe de notre expérience repose sur la comparaison des énergies hyperfines de deux (ou plusieurs) atomes alcalins de numéro atomique différents. La précision visée pour a'/a est de 10-16 par an, soit 100 fois meilleure que les mesures de laboratoire actuelles. Entre mars 1998 et Juin 2000, nous avons réalisé plusieurs comparaisons entre la fréquence de la transition hyperfine du rubidium et celle du césium. Au niveau de 3 10-15 par an, nous n'avons pas détecté de variation significative de la fréquence mesurée. Ceci peut être interprété comme un test sur la stabilité temporelle de a au niveau de 6.9 10-15 par an. Cette nouvelle limite est un amélioration d'un facteur 5 par rapport aux meilleures mesures actuelles de laboratoire. Ce test va être amélioré par un facteur important lorsque la fontaine double actuellement en construction, sera opérationnelle. Elle opérera simultanément avec le césium et le rubidium, et nous espérons un gain supplémentaire d'au moins dix.

   Par ailleurs, à la suite des mesures sur les condensats de Bose-Einstein du rubidium 87, il a été prédit que le déplacement collisionnel du rubidium 87 serait au moins un ordre de grandeur plus faible que celui du 133Cs. Comme ce déplacement collisionnel est la limite la plus sérieuse à la stabilité et l'exactitude de l'étalon primaire à 133Cs, nous avons mesuré les déplacements collisionnels dans la fontaine à rubidium dans diverses situations expérimentales (SORTAIS et al.). Nous avons trouvé que le déplacement collisionnel de la transition d'horloge du 87 Rb était au moins 50 fois plus faible que celui du césium. cela permet de prédire que la stabilité de fréquence des horloges à rubidium devrait pouvoir surpasser celle des horloges à césium.

   Enfin, l'horloge en fontaine PHARAO est une horloge transportable; c'est aussi la première expérience à atomes froids transportable. Comme il n'existe pas à l'heure actuelle de méthode de transfert de temps démontrée qui permette de comparer des horloges à distance en dessous de 10-15, nous comptons utiliser cette possibilité de transport à plusieurs reprises dans les années qui viennent; En juin 1999, PHARAO a été transportée au Max Planck Institüt à Garching, pour servir de référence à la nouvelle chaine de synthèse de fréquence développée par le groupe de T. Hänsch. La fréquence de la transition 1s-> 2s de l'atome d'hydrogène a pu être mesurée directement par rapport à l'étalon primaire de temps (PHARAO) avec une précision de 1.8 10-14 (NIERING et al.). Cette fréquence est actuellement la fréquence optique la mieux mesurée.

   Plus généralement, nous pourrons comparer les horloges à atomes froids des divers laboratoires primaires de temps et élargir la sensibilité du test sur la dérive de la constante de structure fine à l'aide des horloges à ions piégés comme le mercure, l'ytterbium, l'indium et le calcium.

   Horloge spatiale: les projets PHARAO et ACES

   Pour contourner la limitation imposée par l'accélération de la pesanteur dans les fontaines atomiques, nous avons proposé de faire fonctionner une horloge à atomes froids en microgravité, à bord d'un satellite en orbite terrestre par exemple. C'est le projet PHARAO. PHARAO a été proposé au CNES en 1993 et un premier prototype d'horloge en micro-gravité a été réalisé et testé avec succès en vols paraboliques d'avion en mai 1997. En avril 1997 PHARAO a été soumis à l'agence spatiale européenne (ESA) dans le cadre d'une mission plus large appelée ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Son principe est de mettre à bord de la station spatiale internationale (ISS) un ensemble comprenant des horloges ultra-stables et des méthodes de transfert Temps-Fréquences performantes. Dans la configuration de base de ACES, les deux horloges retenues sont PHARAO et un maser à hydrogène fourni par l'observatoire de Neuchâtel (Suisse). Le transfert de temps est réalisé par un lien optique utilisant des impulsions laser très brèves (T2L2, fourni par l'observatoire de la côte d'azur) et également par un lien dans le domaine micro-onde qui, lui, peut fonctionner par toutes conditions atmosphériques. En décembre 1997, la mission ACES a sélectionnée par l'ESA pour être montée sur une " Express Pallett "de la station spatiale en juin 2005. PHARAO est maintenant en phase de construction par les industriels. Cette phase se déroule en étroite collaboration entre les scientifiques des laboratoires proposants, les ingénieurs du CNES et l'industriel responsable de l'intégration de la palette ACES (ASTRIUM).

   Les objectifs scientifiques de cette mission sont les suivants: 

  • Réaliser une horloge à atomes froids en micropesanteur avec une largeur de résonance de 100 milliHertz, dix fois plus fine que dans une fontaine au sol. 
  • Obtenir une stabilité de fréquence meilleure que 10-13 t-1/2 où t est le temps d'intégration en seconde. Cette stabilité doit atteindre 3 10-16 sur une journée. 
  • Etudier les performances ultimes de cette horloge dans la gamme des 10-16 et le compromis entre la stabilité à court terme et l'exactitude du dispositif. 
  • Disséminer une échelle de temps ultra-stable avec une couverture mondiale: l'exactitude visée est de 30 picosecondes soit environ deux ordres de grandeur au delà des performances actuelles des systèmes GPS et GLONASS. Cette échelle de temps spatiale permettra la comparaison d'horloges au sol à 10-16  
  • Réaliser de nouveaux tests de la relativité générale avec un gain d'un facteur 25 sur la mesure du décalage vers le rouge (effet Einstein) et un gain d'un facteur 10 sur la recherche d'une éventuelle anisotropie de la vitesse de la lumière. 
  • Rechercher une éventuelle dérive en fonction du temps de la constante de structure fine a au niveau de quelques 10-17 par année. Ceci correspondrait à une amélioration d'un facteur  100 par rapport aux mesures de laboratoire actuelles.

   A plus long terme enfin, après qualification de cette horloge à atomes froids, nous pensons  proposer des missions utilisant le champ de gravité du soleil pour réaliser de nouveaux tests beaucoup plus précis de relativité générale comme la mesure de l'effet Shapiro (retard apparent des photons dans un champ de gravitation) avec une précision relative de 10-7. Cette précision constituerait un gain de quatre ordres de grandeur sur les mesures actuelles de l'effet Shapiro.

   Enfin, il est clair que l'effort fait sur PHARAO pour développer les outils de manipulation d'atomes par laser dans l'espace auront des retombées pour d'autres expériences spatiales. On pense évidemment aux senseurs inertiels fondés sur l'interférométrie atomique (accéléromètres, gradiomètres, gyromètres) qui subissent actuellement des développements au sol très rapides et qui viennent d'être proposés à l'ESA; c'est le projet HYPER.

   Publications récentes:

SANTARELLI G., LAURENT P., CLAIRON A., MANN A., CHANG S., LUITEN A., SALOMON C., Phys. Rev. Lett., 82, 4619 (1999).pdf (135ko) "Quantum projection noise in an atomic fountain clock : A High Stability Cesium Frequency Standard"

SORTAIS Y., BIZE S., NICOLAS C., CLAIRON A., SALOMON C., WILLIAMS C., Phys. Rev. Lett., octobre (2000).pdf (103ko) "Cold Collision Frequency Shifts in a Rb87 Fountain."

BIZE S., SORTAIS Y., SANTOS M., MANDACHE C., CLAIRON A., SALOMON C., Europhys. Lett., 45, 558 (1999) "A high accuray measurement of the 87Rb hyperfine splitting in an atomic fountain"

LEMONDE P., LAURENT P., SIMON E., SANTARELLI G., CLAIRON A., SALOMON C., DIMARCQ N., PETIT P., IEEE Trans. Inst. Meas., 48, 512 (1999): "Test of a cold atom clock prototype in absence of gravity"

BIZE S., SORTAIS Y., LEMONDE P., ZHANG S., LAURENT P., SANTARELLI G., SALOMON C., CLAIRON A., IEEE Trans. on Ultr., Ferr. and Freq. Contr., 47, 1253, (2000) pdf (64 ko) "Interrogation Oscillator Noise Rejection in the Comparison of Atomic Fountains"

LEMONDE P., LAURENT P. ,SANTARELLI G., ABGRALL M.  KITCHING J.,SORTAIS Y., BIZE S., NICOLAS C., ZHANG, SCHEHR G., CLAIRON A., DIMARCQ N., PETIT P., MANN A., LUITEN A., S.SCHANG and SALOMON C., in Frequency Measurement and control, Topics in Applied Physics, A.Luiten ed. 79, 131-152, Springer Verlag (2000).pdf (1042ko) "Cold Atom Clocks on Earth and In Space"

SORTAIS Y., BIZE S., Nicolas C., SANTARELLI G., SALOMON C., CLAIRON A., IEEE Trans. on Ultr., Ferr. and Freq. Contr., 47, 1093, (2000) pdf (259ko) "87Rb versus 133Cs in cold atom fountains: a comparison"

UHRICH P., GUILLEMOT P., AUBRY P., GONZALEZ F., SALOMON C., IEEE Trans. on Ultr., Ferr. and Freq. Contr., 47, 1134, (2000) "ACES microwave link requirement"

NIERING M., HOLZWARTH R., REICHERT J., POKASOV P., UDEM T., WEITZ M., HÄNSCH T., LEMONDE P., SANTARELLI G., ABGRALL M., LAURENT P., SALOMON C., CLAIRON A., Phys. Rev. Lett. 84, 5496 (2000).pdf (130ko) "Measurement of the 1S-2S Transition Frequency by Phase Coherent Comparison with a Microwave Cesium fountain Clock "

SALOMON C., DIMARCQ N., ABGRALL M., CLAIRON A., LAURENT P., LEMONDE P., SANTARELLI G., UHRICH P., BERNIER L.G., BUSCA G., JORNOD A., THOMANN P., SAMAIN E., WOLF P., GONZALEZ E., GUILLEMOT P., LEON S., NOUEL F., SIRMAIN C., FELTHAM S..C.R Académie des Sciences, 0, série IV 1-17 (2001) pdf (322 ko) "Cold atoms in space and atomic clocks : ACES"