Résumé de la thèse

Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications « grand public » telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité imposées aux horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes.

Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ces travaux présentent l´évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court terme de l'horloge HORACE réalisée au LNE-SYRTE. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ 2·108 atomes pouvaient être obtenus à une température de 35 μK. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'à 2·10–4. Cette grande stabilité de fréquence a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1 000 en fonctionnement.

L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de 2,2·10−13 t−1/2 s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités de fréquence obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permet de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40 ms et d'obtenir, in fine, un rapport cyclique proche de 50 %. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12 Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme.

Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

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