La métrologie du temps et des fréquences est en pleine révolution du fait du développement de la métrologie des fréquences optiques permettant des améliorations de plusieurs ordres de grandeurs, tant pour les références que pour les méthodes de comparaisons. Cette révolution conduira à une redéfinition de la seconde du Système international d'unités (SI) et au développement de nouvelles méthodes de dissémination associées. Elle impactera des infrastructures et services cruciaux pour la science et la société, notamment les systèmes de navigation par satellites (GPS, GALILEO, etc.), les réseaux de télécommunications, la dissémination de références de temps certifiées et sécurisées.
Objectifs
Développement et étude d'une horloge optique ultra précise à atomes neutres de mercure refroidis par laser répondant aux évolutions actuelles du domaine de la métrologie du temps et des fréquences. L'objectif visé est d'obtenir des exactitudes proches de 10-17 et même 10-18 qui semble être un objectif crédible compte-tenu des nombreux travaux déjà réalisés sur les horloges à réseau optique,
Contribution à une nouvelle définition de la seconde du SI.
Résumé et résultats
Ce projet de développement d’une horloge optique ultra précise de nouvelle génération a été entrepris en 2005 au LNE-SYRTE. Si le choix d'utiliser des atomes de mercure pour construire un étalon de fréquence optique de très grande exactitude présente plusieurs avantages, un certain nombre de défis techniques sont à vaincre. Ils sont essentiellement liés à la conception et à la mise en œuvre de sources laser dans le domaine UV du spectre électromagnétique. Parmi les avantages, la possibilité de mettre en œuvre la méthode du réseau optique permettant l’interrogation simultanée de plusieurs milliers d’atomes tout en s’affranchissant des effets de mouvement et d’interaction entre eux, est un gage pour l'obtention d'une très grande exactitude.
Au commencement du projet, le refroidissement par laser n'avait jamais été mis en oeuvre pour des atomes de mercure neutres. C'est pourquoi l'équipe a du lever plusieurs verrous technologiques et a démontré, pour la première fois, la faisabilité du refroidissement par laser et du piégeage optique de plusieurs isotopes du mercure. Finalement l’isotope 199 du mercure a été retenu pour construire une horloge optique. Le LNE-SYRTE a démontré qu'une telle horloge atomique optique était capable d’atteindre une exactitude de 1,7×10-16, résultat confirmé par la comparaison avec d’autres horloges atomiques.
En 2017, le laboratoire a mesuré le déplacement de fréquence induit par le réseau optique lui permettant de mettre à jour le bilan d'incertitude de son horloge à atomes de mercure et d'annoncer l'approche de 10-17.
De plus, le LNE-SYRTE a participé à une comparaison internationale par lien optique fibré, lui permettant d'évaluer, à cette occasion, le rapport de fréquence entre ses deux horloges optiques, à atomes de mercure et de strontium, et de comparer la fréquence de l'horloge mercure à celle du PTB (Allemagne).
C’est grâce à ces comparaisons que l’horloge mercure contribue activement à la « révolution optique » de la métrologie du temps et des fréquences en établissant, conformément aux recommandations du CIPM, une liste de valeurs de référence de rapports de fréquences qui préparent la redéfinition de la seconde du SI.
A travers ce projet, l’horloge mercure du LNE-SYRTE a atteint le niveau de fiabilité et de performance qui lui permettra, par son positionnement unique en Europe, de donner une contribution hautement significative aux campagnes de comparaisons internationales par lien optique fibré.
Impacts scientifiques et industriels
- Ouverture vers une nouvelle voie très prometteuse pour la réalisation d'horloges ultra précises ouvrant la perspective des exactitudes de l'ordre de quelques 10-18 ;
- Contribution à la redéfinition des unités SI au sein de la communauté internationale de métrologie ;
- Contribution au développement de technologies nécessaires à la construction des horloges optiques qui constituent un moteur pour l’innovation dans le domaine des lasers, de l’électronique à bas bruit, des fibres optiques et de l’instrumentation fondée sur les atomes froids.
Publications et communications
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