Une horloge à réseau optique avec un isotope bosonique du mercure

Les horloges optiques ont atteint des précisions proches de 1×10⁻¹⁸. Elles sont utilisées dans diverses applications, comme la géodésie chronométrique, les tests de Relativité Générale, la recherche de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard, ainsi que pour la redéfinition de la seconde.

Parmi les espèces neutres, le mercure présente plusieurs avantages pour une horloge à réseau optique, notamment une faible sensibilité au rayonnement de corps noir et une pression de vapeur élevée à température ambiante. Jusqu’à présent, l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg était le seul utilisé dans ces horloges, mais sa durée de vie limitée dans l’état excité empêche d’exploiter pleinement le potentiel des nouveaux lasers ultra-stables. L’utilisation d’isotopes bosoniques permet de contourner cette limite grâce à une durée de vie potentiellement illimitée.

Cette thèse présente la première observation de la transition bosonique ¹⁹⁸Hg dans une horloge à réseau optique, grâce à plusieurs avancées expérimentales et la recherche d’une transition étroite dans une large plage d’incertitude. La transition de l’horloge bosonique est interdite, mais peut être induite par un champ magnétique élevé via la méthode du quenching. Cela permet des temps d’interrogation plus longs, ajustables aux propriétés du laser. Le premier défi a été de développer un système capable de générer un champ magnétique suffisamment fort pour induire cette transition avec un couplage maximal. Un autre défi était de concevoir un laser d’interrogation accordable et flexible, tout en maintenant un bruit faible, permettant ainsi d’interroger n’importe quel isotope sans bruit supplémentaire. Puisque le couplage augmente avec la puissance du laser, une étape cruciale a été d’augmenter la puissance de notre source UV ultra-stable.

Malgré ces avancées, des calculs ont montré que le couplage restait faible, rendant la transition difficile à trouver sur une large plage de fréquences. Diverses mesures et vérifications ont été effectuées, notamment un alignement précis avec l’isotope ¹⁹⁹Hg, pour maximiser les chances de succès. Grâce à ces efforts, la transition ¹⁹⁸Hg a été trouvée, marquant la première observation d’une transition d’isotope bosonique du mercure.

Suite à cela, le fonctionnement de horloge avec l’isotope bosonique ¹⁹⁸Hg a été établi, atteignant une stabilité de 10⁻¹⁵ à 1 s. Plusieurs études ont été réalisées, notamment la mesure du coefficient du déplacement Zeeman quadratique avec une précision permettant de le contrôler à 10⁻¹⁷ ou mieux. Et plusieurs études ont débuté sur d’autres effets systématiques comme le déplacement lumineux, le déplacement collisionnel et celui dû à la lumière du réseau, ainsi que la mesure de la longueur d’onde magique du ¹⁹⁸Hg. Une première comparaison avec le ⁸⁷Sr a permis d’atteindre une stabilité de 1,2×10⁻¹⁵ à 1 s, ouvrant la voie à une première mesure du rapport de fréquence ¹⁹⁸Hg/⁸⁷Sr. Les travaux sur l’isotope bosonique mèneront prochainement à la possibilité de mettre en œuvre des méthodes d’interrogation plus sophistiquées (spectroscopie hyper-Ramsey), ce qui permettra d’améliorer l’incertitude jusqu’à la limite du dispositif expérimental actuel.

Cette thèse présente également les analyses et résultats obtenus avec l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg lors d’une comparaison d’horloges par lien fibré réalisée avec plusieurs instituts européens en mars/avril 2023.

horloge à réseau optique, mercure, isotope fermionique et bosonique

Consulter la thèse (EN) : TEL-05034816