Résumé
Le CNES, le LKB et le SYRTE développent une horloge à atomes froids de très hautes performances, appelé PHARAO, dont la conception est optimisée pour des applications spatiales. Le signal d’horloge est référencé sur la mesure de la fréquence de la transition hyperfine du césium qui réalise la seconde. Cette transition est induite sur un nuage d’atomes froids (1 µK) de césium en mouvement dans une cavité de Ramsey. Le choix de la vitesse moyenne du nuage, ajustable sur 2 ordres de grandeurs (5 cm·s-1–5 m·s-1), permet grâce à l’apesanteur d’explorer une large gamme de temps d’interaction et d’analyser les performances ultimes de l’horloge. Un modèle d’ingénierie de l’horloge a été construit pour valider cette nouvelle architecture et a été testé au sol pour rechercher le moindre défaut de fonctionnement. Bien évidemment, au sol, les performances sont réduites puisque le mouvement des atomes froids est soumis à l’accélération de la pesanteur. Nous mesurons cependant une stabilité relative de fréquence de 3,3×10-13t-1/2. Les effets systématiques les plus importants sont analysés et le bilan d’incertitude global s’élève à 1,63 × 10-15. Des comparaisons de fréquence avec l’étalon primaire de fréquence du SYRTE, la fontaine mobile FOM, ont donné des écarts de fréquence inférieurs à 2 × 10-15. La qualification spatiale qui concerne essentiellement les aspects mécaniques et thermiques a été étudiée sur un modèle (Modèle Structurel et Thermique) représentatif mais non opérationnel de l’horloge. Cette qualification se fait en association avec des simulations numériques par éléments finis. De l’ensemble de tous ces résultats des évolutions ont été appliquées sur l’architecture pour construire le modèle de vol qui est maintenant en cours de réalisation. L’horloge PHARAO est un instrument clé de la mission spatiale Européenne ACES dont l’objectif central concerne la mesure de l’espace-temps pour tester les aspects fondamentaux de la physique.