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BIZE S., FANG B., Y. LE COQ, R. LE TARGAT, J. LODEWYCK, P.-E. POTTIE and members of the FOP team, “Developments to improve the stability of optical lattice clocks”, Symposium on Frequency Standards and Metrology, Kingscliff, NSW, Australia, conf. invitée le 17 oct. 2023.

GAALOUL N., BEAUFILS Q., PEREIRA DOS SANTOS F. and CARIOQA consortium, “CARIOQA-PMP: A Space Gravimetry Quantum Pathfinder Mission”, EQTC Conference, Hanover, Germany, 17 Oct. 2023, HAL-04393571.

BIZE S., « Progrès et applications des horloges optiques : vers une nouvelle définition de la seconde », Académie des Technologies / Journées thématiques « Le système international d’unités (SI) version 2018 - Quels impacts et quelles perspectives ? », Paris, France, conf. invitée le 25 oct. 2023.

CORGIER R., PEZZE L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Quantum-enhanced atom interferometry”, GDR Gaz-quantiques, Bordeaux, France, 25 oct. 2023, HAL-04393558.

HARTMAN M., LIN X., POINTARD B., LE TARGAT R., SEIDELIN S., GOLDNER P., FANG B. and LE COQ Y., “Detection techniques and fundamental limits in frequency stabilization via spectral hole burning”, Assemblée générale de la Fédération de Recherche FIRST-TF 2023, Nice, France, 8 nov. 2023, HAL-04460577.

MILLO J., LE TARGAT R. and FANG B., « Projet pluriannuel SESHO : vers des stabilités extrêmes dans le domaine optique », AG FIRST-TF 2023, Nice, France, 8 nov. 2023, HAL-04460582.

ROMERO GONZALEZ J., RAHMOUNI F., POINTARD B., BERTOLDI A., LODEWYCK J. and LE TARGAT R., “RAZPOUTYNE project towards compact cooling techniques”, Réunion FIRST-TF, Nice, France, 8 nov. 2023, HAL-04295079.

Le temps est la grandeur physique qui se mesure avec la plus grande précision, loin devant toutes les autres. Les progrès récents des horloges atomiques ont permis d’atteindre des stabilités relatives de l’ordre de quelques 10⁻¹⁸, correspondant ainsi à une incertitude d’environ une seconde sur l’âge de l’Univers. Cependant, ce n’est pas parce que ces incertitudes deviennent dérisoires qu’il faut les négliger, bien au contraire. Le but de ce travail est de contribuer à améliorer la détermination de ces incertitudes. Il est divisé en deux parties et porte sur la caractérisation fine et l’amélioration d’un ensemble de méthodes d’estimation.

La première partie du travail a consisté à décrire une procédure pour déterminer les sauts qui peuvent affecter les liens de transfert de temps utilisés dans le calcul de l’échelle du Temps Universel Coordonnée (UTC), calculé par le BIPM. Cet outil, basé sur un filtre de Kalman, devrait déterminer correctement la date des sauts et leur grandeur, principalement pour les sauts de temps, et avertir le service du temps du BIPM de ce problème inattendu. Cet avertissement aidera à comprendre la nature des étapes qui, dans certains cas, peuvent affecter le comportement d’UTC. Un exemple critique est l’étalonnage du récepteur qui provoque un saut dans les transferts de temps et qui a potentiellement un impact sur le comportement d’UTC. Pour assurer la stabilité à long terme d’UTC, il est crucial de vérifier les données et d’identifier les problèmes.

La deuxième partie du travail porte principalement sur une analyse détaillée en termes de statistiques bayésiennes des instabilités de fréquence. En particulier, l’objectif est d’obtenir des intervalles de confiance fiables autour des mesures du spectre de puissance des processus de bruit rouge aux fréquences les plus basses, par ex. l’observation des pulsars millisecondes en radioastronomie. Ainsi, il n’est possible de faire la moyenne que sur l’observation simultanée de plusieurs instruments. Nous comparons la limite supérieure à 95% sur le paramètre de bruit rouge en utilisant la moyenne du spectre et le spectre croisé. Vérifié par des simulations massives de Monte Carlo, l’estimateur à spectre croisé conduit à la distribution variance-Gamma avec deux instruments et une généralisation à n instruments sur la base de la transformée de Fourier des fonctions caractéristiques est fournie.

analyse temps-fréquence, densité de probabilité, horloges atomiques, intervalle de confiance, métrologie, moyenne du spectre, saut de phase, spectre croisé, stabilité temporelle, statistiques bayésiennes

Consultez la thèse (EN) : TEL-04083649

Cette thèse consiste au développement d’un laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Perot à très basse température. La cavité optique utilisée, conçue à partir d’un bloc de silicium, est portée à une température de 18,1 K. Un cryogénérateur à faibles vibrations à tube pulsé est pour refroidir la cavité autour de la température optimale souhaitée. Le fait de travailler à cette température où le coefficient de dilatation thermique est faible, et où les contraintes mécaniques agissant sur la cavité sont réduites, offre la possibilité d’atteindre des performances du laser stabilisé en dessous de 1×10⁻¹⁶ sur des temps courts pour répondre aux besoins des horloges optiques. Le système est constitué d’un laser fibré à 1,5 µm dont la fréquence est asservie sur la fréquence d’un mode de résonance de la cavité via la technique Pound-Drever-Hall. Cette cavité a une longueur de 14 cm et un revêtement diélectrique a été déposé sur le substrat des miroirs. Ces travaux ont consisté également à mettre en place un système de contrôle de la modulation d’amplitude résiduelle, qui fait partie des principales limitations des performances du laser ultra-stable. Pour cette cavité, la limite théorique, déterminée par le bruit thermique de la cavité et évaluée en terme de stabilité relative de fréquence, est d’environ 3×10⁻¹⁷ à 1 s.

laser ultra-stable, cavité optique Fabry-Perot, asservissement de fréquence, température cryogénique

Consultez la thèse (FR) : TEL-03851524

Depuis 1967, la seconde est définie par rapport à une transition atomique. Plus précisément, la seconde est déterminée par rapport à 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à deux états hyperfins de l’état fondamental d’un atome de césium 133 non perturbé. Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes se situent dans le domaine optique : un laser est utilisé pour interroger la transition d’une référence atomique. Les éléments atomiques utilisés sont par exemple du strontium, du mercure ou de l’ytterbium. D’autres horloges optiques exploitent un ion unique piégé pour établir une référence de fréquence. Les meilleures horloges optiques occupent des volumes de plusieurs milliers de litres. Bien qu’il existe des réseaux fibrés disséminant les références optiques entre différents laboratoires, la nécessité de pouvoir transporter les horloges reste un enjeu majeur pour la physique fondamentale ou pour d’autres applications comme la géodésie. Le département temps fréquence de l’institut FEMTO-ST développe une horloge optique transportable à ion piégé Yb+. L’objectif du projet est d’avoir un volume total de l’expérience de 500 L avec des performances dix fois supérieures aux horloges compactes actuelles. Un ion unique est piégé à l’aide de champs électriques générés par une puce constituant un piège de Paul surfacique. Un unique faisceau laser permet son refroidissement dans les trois directions de l’espace. Un laser d’une longueur d’onde d’environ 435,5 nm est utilisé pour interroger l’ion et constituer un oscillateur ultra-stable. Pour piéger des ions, un piège prototype en cuivre sur FR-4 a été utilisé pendant qu’en parallèle un piège était conçu et fabriqué au sein du département. Le rapide confinement d’ions avec le piège prototype a permis de mettre en place le système expérimental et établir de premiers résultats. Des mesures caractérisant le piège ont pu être effectués et des techniques expérimentales pour le contrôle du piège ont été mises en place. Le laser d’horloge nécessitant une pré stabilisation pour sa réduction du bruit de fréquence, son asservissement sur une cavité ultra-stable fonctionnant à une longueur d’onde télécoms a été réalisée à l’aide d’un peigne de fréquence optique. Différentes simulations ont été effectuées pour prédire la stabilité relative de fréquence de l’horloge ou le comportement du nouveau piège.

Refroidissement laser, ions piégés, métrologie temps-fréquence

Consultez la thèse (FR) : TEL-04195089

Le SYRTE développe actuellement des horloges à réseau optique. Ces horloges consistent en un ensemble de quelques 10 000 atomes ultra-froids confinés dans un réseau optique, et utilisés pour asservir un laser ultra stable sur la transition d'horloge. Les performances améliorées des horloges optiques trouvent des applications aussi bien en métrologie des temps et fréquence, qu'en géodésie chronométrique, ou encore qu'en physique fondamentale. Deux horloges à réseaux optiques sont opérationnelles au SYRTE, et présentent une instabilité et une inexactitude fractionnaire de 2×10^–17. Ces instruments sont aujourd'hui disponibles pour des campagnes métrologiques longues et régulières, qui ont permis de confirmer leur performance lors de campagnes internationales. Les travaux de thèse réalisés au SYRTE visent à poursuivre ce développement en améliorant d'avantage l'inexactitude et l'instabilité des horloges strontium. Cette thèse propose une description des horloges actuellement en place, et des améliorations récentes. Un budget d'inexactitude révisé est présenté, ainsi que des travaux contribuant à réduire l'inexactitude au niveau de 10^–18. Une étude du déplacement lumineux de la transition d'horloge est proposée et accompagnée d'un protocole permettant de supprimer sa dépendance avec la température des atomes interrogés, par la spectroscopie de la porteuse de l'horloge. Le document présente également l'assemblage d'une nouvelle enceinte ultra-haut vide, devant réduire l'inhomogénéité du rayonnement thermique reçu par les atomes, principale contribution à l'inexactitude. De multiples résultats de comparaison des horloges strontium, locales et internationales, par liens fibrés et par satellites, contre des horloges micro-ondes et optiques sont également décrits. Y figurent notamment les premières contributions au pilotage du Temps Atomique Internationale (TAI) en temps réel.

horloge optique, mesure systématique, comparaison, enceinte ultra haut vide, source effusive

Ce manuscrit détaille des travaux de thèse effectués au SYRTE sur l’expérience de gradiomètre à atomes froids. Le gradiomètre est un capteur quantique utilisant deux interféromètres à atomes froids afin de mesurer l’accélération de pesanteur en deux endroits distincts de l’espace et ainsi mesurer localement le gradient de gravité. En début de thèse, le capteur était fonctionnel avec deux sources d’atomes froids et un interféromètre utilisant des impulsions Raman. Dans le but d’améliorer la sensibilité de l’instrument, la diffraction des atomes a été mise en œuvre et caractérisée dans le régime quasi-Bragg et un interféromètre a été réalisé avec ces impulsions pour différents ordres de diffraction. Les ports de sortie étant dans le même état interne mais sur deux états d’impulsion différents, il est difficile de les mesurer indépendamment avec une méthode classique de détection par temps de vol. Une nouvelle méthode a donc été développée puis caractérisée pour augmenter leur séparation spatiale avant leur détection à l’aide d’un ascenseur de Bloch. Un tel ascenseur de Bloch a été placé en début de séquence afin de faire fonctionner l’interféromètre en configuration fontaine et profiter d’un temps de chute libre maximal. Un miroir monté sur un tip tilt a été caractérisé afin de compenser l’accélération de Coriolis subie par les atomes pendant leur chute et un collimateur à profil d’intensité plat (flat top) a été positionné sur l’expérience afin d’éclairer les atomes de manière uniforme. Une sensibilité au gradient de gravité de 213 E à une seconde (1 E = 10^‒9 s^‒2) a été démontrée.

interféromètre atomique, atomes froids, gravimètre, gradiomètre, métrologie

Consultez la thèse (FR) : TEL-03990195

Les horloges atomiques sont les outils modernes de la mesure du temps. Depuis la redéfinition de la seconde en 1967 fondée sur l'interrogation d'une transition atomique du césium 133, les horloges atomiques se sont considérablement améliorées. Cela a conduit à de nombreuses avancées technologiques au cours des 55 dernières années, dont beaucoup nécessitent un transfert précis des signaux de temps et de fréquence, un exemple important étant le système de positionnement global (GPS). Avec les récents progrès des horloges atomiques de dernière génération, dites « optique », les moyens traditionnels de diffusion des signaux d'horloge(s) ne sont plus adaptés sans dégradation de leurs performances. La mise en œuvre d'une nouvelle technologie a été développée à cette fin dans plusieurs pays du monde ces dernières années. Elle utilise les fibres optiques comme support pour transférer et comparer les signaux des références de fréquence atomique.

La thèse aborde la mise en œuvre d'un réseau de fibres optiques en France. Les processus généraux de bruit de ces liaisons par fibre optique et de leurs limites techniques et fondamentales y sont discutés. Des études approfondies de plusieurs applications d'un réseau de fibres sont présentées. Celles-ci comportent l'évaluation de la contribution de l'incertitude du réseau français de fibres optiques à la comparaison des horloges optiques. Ensuite, la thèse présente une étude sur l'utilisation de réseaux de fibres pour la détection de phénomènes géophysiques. Cela inclut la détection de l'effet Sagnac dans un lien à fibre déployé dans une topologie en anneau autour de Paris. Ensuite, elle contient une étude de la détection des tremblements de Terre avec le réseau de fibres français, et une discussion des perspectives d'utilisation d'une telle technologie.

métrologie, fréquence optique, transfert de fréquence optique, réseau fibré, géodétection, REFIMEVE

Consultez la thèse (EN) : TEL-04218313

Ce manuscrit présente des résultats expérimentaux d’un gyromètre à atomes froids de 11 cm² d’aire physique, réalisant l’état de l’art des gyromètres à ondes de matière. L’installation du second axe de mesure dans le plan horizontal permet la mesure de deux composantes de la rotation, de manière séquentielle ou entrelacées. Changer l’orientation de l’expérience par rapport au nord a permis d’effectuer le meilleur test à ce jour de l’effet Sagnac pour des ondes de matière, qui a été trouvé en accord avec la valeur attendue au niveau de 20 ppm. Par ailleurs, le manuscript présente la proposition et l’étude de l’intérêt d’ajuster de façon contrôlée le transfert d’impulsion lors des transitions Raman manipulant les paquets d’ondes atomiques dans le cas des interféromètres à boucles multiples. En empêchant la recombinaison des interféromètres parasites, cette étude a donné les conditions permettant de réaliser un gyromètre pur sans aucune sensibilité à l’accélération continue. Enfin, de nouvelles méthodes expérimentales ont permis d’améliorer la réjection du bruit de vibration mais aussi du bruit de rotation permettant un nouveau record de stabilité à 2×10⁻¹⁰ rad·s−1 at 6 000 s, et notamment de par l’utilisation d’une séquence utilisant deux interféromètres entrelacés permettant de moyenner plus rapidement les vibrations. Bien que limitée dans la configuration expérimentale, elle ouvre la possibilité d’atteindre la limite intrinsèque des capteurs inertiels à atomes froids, le bruit de projection quantique.

gyromètre, effet Sagnac, atomes froids, interféromètrie atomique, métrologie

 Consultez la thèse (FR) : TEL-03828286

Les trous brûlés spectraux dans les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des systèmes polyvalents, adaptés à la métrologie temps-fréquence et aux applications connexes. La transition optique étroite des ions dopants peut ainsi servir de référence pour la stabilisation en fréquence d’un laser. La stabilité de fréquence fractionnaire attendue peut potentiellement être de plusieurs ordres de grandeur meilleure que celle des lasers asservis sur des cavités Fabry-Pérot à température ambiante. L'objectif de ce projet de thèse est d'améliorer les techniques de stabilisation, et d'explorer les limites fondamentales de ces techniques. La sensibilité des trous spectraux vis-à-vis de contraintes uniaxiale, ainsi que d’un champ électrique externe a été caractérisée, de sorte que l'effet sur la fluctuation de la fréquence laser puisse être déduit et minimisé. Un environnement spécial a été également exploré, où l'effet des fluctuations de température sur la fréquence des trous spectraux peut être compensé au premier ordre par un décalage en sens inverse induit par un changement de pression. De plus, un travail important a été consacré au développement de techniques de détection à ultra-faible bruit, qui permettent d'obtenir un bruit de détection plus faible en utilisant différentes structures spectrales.

laser ultra-stable, ions de terres rares, métrologie des fréquences

Consultez la thèse (EN) : TEL-03870065

ABDEL HAFIZ M., CARLÉ C., PASSILLY N., DANET J.M., CALOSSO C. and BOUDOT R., “Light-shift mitigation in a microcell-based atomic clock with symmetric auto-balanced Ramsey spectroscopy”, Applied Physics Letters, 2022, 120, 064101, DOI: 10.1063/5.0082156.

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CAHUZAC N., LIU Y., SAFFRE M., CANTIN E., LOPEZ O., TRAN D., SANTAGATA R., MANCEAU M., AMY-KLEIN A., DARQUIE B., TONNES M., POINTARD B., ABGRALL M., LORINI L., LE COQ Y., LE TARGAT R., ALVAREZ-MARTINEZ H., XU D. and POTTIE P.-E., “High precision, SI-traceable, Mid-infrared Molecular spectroscopy”, 2022 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum & the IEEE International Frequency Control Symposium (2022 EFTF-IFCS), Paris, France, 24-28 avril 2022, Proceedings: IEEE Xplore, DOI: 10.1109/EFTF/IFCS54560.2022.9850536.

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RISARO M., DONADELLO S., MURA A., CLIVATI C., GOTI I., CONDIO S., PIZZOCARO M., GOZZELINO M., COSTANZO G.A., LEVI F., CALONICO D., CANTIN E., LOPEZ O., AMY-KLEIN A., TØNNES M., POINTARD B., ZYSKIND C., GUO C., ANDIA M., MORENO W., FOUCAULT Y., MARIN M.-A. C., SHANG H., MAZOUTH M., LE TARGAT R., ABGRALL M., LORINI L., LODEWYCK J., POTTIE P.-E. and BIZE S., “A coherent optical fibre link between France and Italy”, 2022 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum & the IEEE International Frequency Control Symposium (2022 EFTF-IFCS), Paris, France, 24-28 avril 2022.

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COTXET J., GUTTY F., BAILI G., HOLLEVILLE D., GUERANDEL S., MORVAN L. and DOLFI D., « Réductions des bruits d’un prototype de VECSEL bifréquence à 852 nm pour des applications d’horloge atomique CPT », 2022 COLOQ'18 Lasers et Optique quantique, Congrès Optique de la SFO, Nice, France, 4-8 juillet 2022.

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ROMERO J., RAHMOUNI F., BENJAMIN P., MORENO W., LODEWYCK J., POTTIE P.-E., DELVA P., PANET I., LEQUENTREC-LALANCETTE M.-F., JAMET O., LION G. and LE TARGAT R., “Designing an Yb transportable lattice clock at SYRTE for geodesic exploration”, Assemblée Générale de FIRST-TF 2022, Besançon, France, 4-5 octobre 2022.

BALLAND Y., ABSIL L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “A trapped atom interferometer for unprecedented short range forces measurement”, (Conférence invitée), Quantum sensors and tests of new physics (QSNP), Hanovre, Allemagne, 4-7 octobre 2022.

CORGIER R., MALITESTA M., SMERZI A., GAALOUL N., PEZZE L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Delta-kick squeezing and quantum-enhanced atom interferometry”, (Conférence invitée), Quantum sensors and tests of new physics (QSNP), Hanovre, Allemagne, 4-7 octobre 2022.

LANDRAGIN A., GAUTIER R., GUESSOUM M., BOUTON Q., CHERFAN C., SIDORENKOV L.A. and GEIGER R., “Testing the Sagnac effect with a two-axis cold atom gyroscope”, (Conférence invitée), Quantum sensors and tests of new physics (QSNP), Hanovre, Allemagne, 4-7 octobre 2022.

BIZE S., « Accéder à une représentation objective du temps ? Les principes de réalisation des références de temps de la physique », (Conférence invitée), Colloque Phénoménotechnique du temps en 2022, Besançon, France, 27-28 octobre 2022.