Résumé de la thèse
Le cœur des horloges atomiques sur la base du phénomène de piégeage cohérent de population (CPT) est constitué d’une cellule renfermant de la vapeur alcaline, ici du césium. Dans cet espace confiné, les atomes alcalins viennent percuter les parois de la cellule et la cohérence CPT est détruite.
Pour pallier ce problème, un gaz ou un mélange de gaz tampon est introduit dans la cellule. Le gaz tampon va rendre le mouvement des atomes alcalins diffusif, et non plus balistique, et ainsi augmenter leur temps de vol. Ceci a pour effet de réduire considérablement la largeur de la cohérence CPT par effet Dicke, la ramenant de plusieurs centaines de kilohertz à quelques kilohertz ! Néanmoins, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d’horloge des atomes alcalins en fonction de la température de la cellule. Ce déplacement collisionnel de fréquence est caractérisé par trois coefficients β, δ et γ. Le caractère quadratique du déplacement de fréquence implique un optimum en température où la sensibilité thermique est annulée au premier ordre. Cette température, dite d’inversion, est propre à chaque gaz tampon. Il est possible d’obtenir une température d’inversion particulière en introduisant un mélange de gaz. Dans ce cas, la température d’inversion dépend du rapport des pressions partielles entre les deux espèces de gaz tampon ! Cette température d’inversion est un point de fonctionnement de choix pour les horloges atomiques miniatures. La micro-horloge MAC-TFC contient du néon comme gaz tampon. Ce gaz présente une température d’inversion autour de 80 °C mais celle-ci n’est pas suffisante pour des applications à contraintes environnementales sévères où des températures de l’ordre de 90 °C à 100 °C sont préférables.
Ce travail de thèse se focalise principalement sur l’étude de nouveaux gaz tampon autorisant des températures d’inversion supérieures à 80 °C. Pour cela, les coefficients de déplacement collisionnel de divers gaz tampon ont été répertoriés dans la littérature. Ces coefficients sont relativement mal connus voire inconnus dans le cas du césium. Néanmoins, l’auteur a pu dégager de ces données deux candidats potentiels : l’hélium et le xénon. Il a également mené une étude sur la dépendance thermique du déplacement et de l’élargissement des transitions optiques du césium en présence d’hélium ou de xénon.
L’auteur a mesuré une première estimation des coefficients de déplacement collisionnel dans des cellules de taille centimétrique : βHe = (1 233 ± 32) Hz/Torr, δHe = (2,01 ± 0,12) Hz/(Torr·K) et γHe = (–7,51 ± 0,44) mHz/(Torr·K2), où 1 Torr ≈ 133,322 Pa. Ces coefficients révèlent qu’un mélange néon-hélium, avec un faible pourcentage d’hélium, autoriserait une température d’inversion supérieure à 80 °C. Pour valider ce mélange de gaz tampon, il a été fabriqué des microcellules à vapeur de césium remplies avec un mélange néon-hélium qui ont ensuite été mesurées avec des températures d’inversion de l’ordre de 89 °C à 94 °C.
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