Le phénomène de piégeage cohérent de population (Coherent Population Trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.

Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire.

Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel.

Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations.

Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser. Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés.

horloge atomique CPT, asservissement optoélectronique, stabilité de fréquence, laser à semi-conducteur, corrélations de bruit

Consultez la thèse (FR) : HAL-04221413

ABEND S. et al. (47)., “Technology roadmap for cold-atoms based quantum inertial sensor in space”, AVS Quantum Science, 2023, 5, 1, 019201, HAL-04099874, DOI: 10.1116/5.0098119.

ABSIL L., BALLAND Y., PEREIRA DOS SANTOS F., “Long-range temperature-controlled transport of ultra-cold atoms with an accelerated lattice”, New Journal of Physics, 2023, 25, 7, 073010, HAL-04255420, DOI: 10.1088/1367-2630/ace3ea.

AUCLAIR P. et al., “Cosmology with the Laser Interferometer Space Antenna”, Living Rev.Rel., 2023, 26, 1, 5, HAL-03669190, DOI: 10.1007/s41114-023-00045-2.

BAYLE J.-B. and HARTWIG O., “A unified model for the LISA measurements and instrument simulations”, Phys.Rev. D, 2023, 107, 8, 083019, HAL-03921038, DOI: 10.1103/PhysRevD.107.083019.

BEAUFILS Q., LEFEBVE J., BAPTISTA J.G., PICCON R., CAMBIER V., SIDORENKOV L., FALLET C., LEVEQUE T., MERLET S. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Rotation related systematic effects in a cold atom interferometer onboard a Nadir pointing satellite”, NPJ Microgravity, 2023, 9, 53, HAL-04255417, DOI: 10.1038/s41526-023-00297-w.

CAMPBELL W.M., GALLIOU S., TOBAR M. and GORYACHEV M., “Electro-mechanical tuning of high-Q bulk acoustic phonon modes at cryogenic temperatures”, Applied Physics Letters, 2023, 122, 032202, DOI: 10.1063/5.0131361.

CAMPBELL W.M., TOBAR M., GORYACHEV M. and GALLIOU S., “Improved constraints on minimum length models with a macroscopic low loss phonon cavity”, Physical Review D, 2023, 108, 10, 102006, DOI: 10.1103/PhysRevD.108.102006.

CARLÉ C., ABDEL H.M., KESHAVARZI S., VICARINI R., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Pulsed-CPT Cs-Ne microcell atomic clock with frequency stability below 2 × 10⁻¹² at 10⁵ s”, Optics Express, 2023, 31, 5, 8160-8169, DOI: 10.1364/OE.483039.

CARLÉ C., KESHAVARZI S., MURSA A., KARVINEN P.I, CHUTANI R.K., BARGIEL S., QUESTE S., VICARINI R., ABBÉ Ph., ABDEL H.M., MAURICE V., BOUDOT R. and PASSILLY N., “Reduction of helium permeation in microfabricated cells using aluminosilicate glass substrates and Al₂O₃ coatings”, Journal of Applied Physics, 2023, 133, 214501, DOI: 10.1063/5.0151899.

CORGIER R., MALITESTA M., SMERZI A. and PEZZE L., “Spin-squeezing swapping for differential measurements with atom interferometers and clocks”, Quantum, 2023, 7, 965, HAL-03687618, DOI: 10.22331/q-2023-03-30-965.

DELVA P. et al., “GENESIS: co-location of geodetic techniques in space”, Earth Planets and Space, 2023, 75, 1, 5, HAL-03938404, DOI: 10.1186/s40623-022-01752-w.

DIMARCQ N. et al., “Roadmap towards the redefinition of the second”, Metrologia, 2023, 61, 1, 012001, HAL-04375006, DOI: 10.1088/1681-7575/ad17d2.

FLUHR CH., DUBOIS B., CALOSSO C., VERNOTTE F., RUBIOLA E. and GIORDANO V., “A cryogenic sapphire resonator oscillator with 10⁻¹⁶ mid-term fractional frequency stability”, Applied Physics Letters, 2023, 123, 4, 044107, DOI: 10.1063/5.0153711.

FLUHR Ch., DUBOIS B., LE TETU G., SOUMANN V., PARIS J., RUBIOLA E. and GIORDANO V., “Reliability and reproducibility of the cryogenic Sapphire oscillator technology”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2023, 72, 1005408, DOI: 10.1109/TIM.2023.3277940.

GALLIOU S., BON J., ABBÉ Ph., VICARINI R., TOBAR M. and GORYACHEV M., “Probing the acoustic losses of graphene with a low-loss quartz bulk-acoustic-wave resonator at cryogenic temperatures”, Materials Science and Engineering: B, 2023, 127, 116102, DOI: 10.1016/j.mseb.2022.116102.

GUE J., HEES A., LODEWYCK J., LE TARGAT R. and WOLF P., “Search for vector dark matter in microwave cavities with Rydberg atoms”, Phys.Rev. D, 2023, 108, 3, 035042, HAL-04113313, DOI: 10.1103/PhysRevD.108.035042.

GUO C., CAMBIER V., CALVERT J., FAVIER M., ANDIA M., DE SARLO L. and BIZE S., Exploiting the two-dimensional magneto-optical trapping of Hg 199 for a mercury optical lattice clock”, Physical Review A, 2023, 107, 3, 033116, HAL-04314852, DOI: 10.1103/PhysRevA.107.033116.

GUSCHING A., MILLO J., RYGER I., VICARINI R., ABDEL H.M., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Cs microcell optical reference with frequency stability in the low 10⁻¹³ range at 1 s”, Optics Letters, 2023, 48, 6, 1526-1529, DOI: 10.1364/OL.485548.

JIMENEZ-MIER J., PONCIANO OJEDA F.S., MOJICA-CASIQUE C., HOYOS-CAMPO L.M., RAMÍREZ-MARTÍNEZ F. and FLORES-MIJANGOS J., “Study of the velocity-selection satellites present in the 5p3 / 2 → 6pj(J = 1/2, 3/2) electric quadrupole transitions in atomic Rubidium”, Optics Communications, 2023, 24, HAL-04257659.

LAUPRETRE T., ACHI B., GROULT L., KERSALÉ Y., DELEHAYE M., ABDEL H.M. and LACROUTE C., “Heating rate measurement and characterization of a prototype surface-electrode trap for optical frequency metrology”, Applied Physics B-Lasers and Optics, 2023, 129, 37, DOI: 10.1007/s00340-023-07982-4.

LE TETU G., FLUHR CH., PARIS J., HOSTEIN R. and GIORDANO V., “Ultra-stable microwave cryogenic oscillator operated with a Gifford-McMahon cryocooler”, Cryogenics, 2023, 135, 103745, DOI: 10.1016/j.cryogenics.2023.103745.

LIM C., FRANK F., CHUPIN B., CHIU O., ABGRALL M., TUCKEY P., POTTIE P.-E., CANTIN E., CHARDONNET C. and AMY-KLEIN A., “Extension of REFIMEVE with a White Rabbit network”, Proceedings of 2023 Joint Conference EFTF/IEEE-IFCS, IEEE Xplore 9 Oct. 2023, DOI: 10.1109/EFTF/IFCS57587.2023.10272069, HAL-04105986.

LIN X., HARTMAN M. T., ZHANG S., SEIDELIN S., FANG B. and LE COQ Y., “Multimode Heterodyne Laser InterferometryRealized via Software Defined Radio”, Optics Express, 2023, 31, 23, 38475-38493, HAL-04231348, DOI: 10.1364/OE.500077.

MATUSKO M., RYGER I., GOAVEC-MEROU G., MILLO J., LACROUTE C., CARRY E., FRIEDT J.-M. and DELEHAYE M., “Fully-digital platform for local ultra-stable optical frequency distribution”, Review of Scientific Instruments, 2023, 94, 3, 034716, DOI: 10.1063/5.0138599.

MURATORE M., HARTWIG O., VETRUGNO D., VITALE S. and WEBER W. J., “On the effectiveness of null TDI channels as instrument noise monitors in LISA”, Phys.Rev. D, 2023, 107, 8, 082004, HAL-03726620, DOI: 10.1103/PhysRevD.107.082004.

QUANG NAM D., MARTINO J., LEMIERE Y., PETITEAU A., BAYLE J.-B., HARTWIG O. and STAAB M., “Time-delay interferometry noise transfer functions for LISA”, Phys.Rev. D, 2023, 108, 8, 082004, HAL-04249115, DOI: 10.1103/PhysRevD.108.082004.

RUBIOLA E. and VERNOTTE F., “The companion of Enrico’s chart for phase noise and two-sample variances”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2023, 71, 7, 2996-3025, DOI: 10.1109/TMTT.2023.3238267.

WISSEL L., HARTWIG O., BAYLE J.B., STAAB M., FITZSIMONS E.D., HEWITSON M. and HEINZEL G., “The influence of laser relative intensity noise in the Laser Interferometer Space Antenna”, Phys.Rev.Applied, 2023, 20, 1, 014016, HAL-03936190, DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.014016.

YUN P., BOUDOT R. and DE CLERCQ E., “Coherent population trapping with high common-mode noise rejection using Differential detection of simultaneous dark and bright resonances”, Physical Review Applied, 2023, 19, 024012, DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.024012.

YUN P., BOUDOT R.and DE CLERCQ E., “Coherent population trapping with high common-mode noise rejection using differential detection of simultaneous dark and bright resonances, Physical Review Applied, 2023, 19, 024012, HAL-04224381, DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.024012.

ZHANG S., SEIDELIN S., LE TARGAT R., GOLDNER P., FANG B. and LE COQ Y., “First-order thermal insensitivity of the frequency of a narrow spectral hole in a crystal”, Physical Review A, 2023, 107, 1, 013518, HAL-obspm-03986476, DOI: 10.1103/PhysRevA.107.013518.

DELVA P., “GASTON: GAlileo survey of transient objects network”, H2020 GNSS Upstream R&D Workshop, ESTEC, Nordwijk, The Netherlands, January 2023, HAL-obspm-04047865.

CORGIER R., GAALOUL N., SMERZI A., PEZZE L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Delta-kick squeezing in atom interferometer”, Journée de sensibilisation à la valorisation du DIM QuanTiP, Paris, France, 25 janvier 2023, HAL-04393586.

PEREIRA DOS SANTOS F., BALLAND Y. and ABSIL L., Short range force sensing with a trapped atom interferometer”, Blackbody Radiation Induced Effects and Phenomena, Vienna, Austria, 13 February 2023, HAL-04393520.

LANGLOIS M., MERLET S. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Gravity gradiometer using large momentum transfer beamsplitters”, Rencontres de Moriond, Session Gravitation, La Thuile, Italie, 21 March 2023, HAL-03955989.

MARULANDA ACOSTA V., DEQUAL D., SCHIAVON M., MONTMERLE-BONNEFOIS A., LIM C., CONAN J.-M. and DIAMANTI E., “Improvement of satellite-to-ground QKD secret key rate with adaptive optics”, 2023 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, March 2023, DOI: 10.23919/OFC49934.2023.10117042, HAL-04052496.

FRIEDT J.-M., « Autour de la « synchronisation » dans les communications radiofréquences », 6th European GNU Radio days 2023, Visioconference (IAP), Paris, France, 29-30 mars 2023.

JANVIER C., MERLET S., ROSENBUSCH P., MENORET V., LANDRAGIN A., PEREIRA DOS SANTOS F. and DESRUELLE B., “Operational evaluation of an industrial differential quantum gravimeter”, EGU General Assembly Conference (EGU23), Vienna, Austria, April 2023, DOI: 10.5194/egusphere-egu23-5171, HAL-04393526.

RAHMOUNI F., ROMERO GONZALEZ J., POINTARD B., POTTIE P.-E., LION G., JAMET O., LALANCETTE M.-F., MORENO W., LODEWYCK J. and LE TARGAT R., “An Yb transportable clock connected to the REFIMEVE fiber network for chronometric geodesy”, EGU General Assembly Conference (EGU23), Vienna, Austria, April 2023, DOI: 10.5194/egusphere-egu23-8745, HAL-04093675.

BARBARAT J., GILLOT J., MILLO J., LACROUTE C., GIORDANO V., KERSALE Y. and LEGERO T., “Development of a Sub-Kelvin Silicon Cavity”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

BREUREC J., ABDEL H.M., VICARINI R., CALOSSO C., LELIEVRE O. and BOUDOT R., “Measurements of frequency shifts in a high-performance CPT-based cesium cell atomic clock”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

CALLEJO M., VICARINI R., ABBE PH., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Preliminary studies of Rb microfabricated cells for a two-photon Rb optical frequency reference”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

CANTIN E., LOPEZ O., CAHUZAC N., LIU Y., MANCEAU M., DARQUIE B., CHARDONNET C., AMY-KLEIN A., QUINTIN N., RABAULT M., COGET G., ROSENBUSCH P., MENORET V., TONNES M., POINTARD B., MAZOUTH M., ALVAREZ-MARTINEZ H., LIM C., TUCKEY P., ABGRALL M., LE TARGAT R. and POTTIE P.-E., “REFIMEVE fiber network for time and frequency dissemination and applications”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), held with the Asia-Pacific Workshop on Time and Frequency (ATF), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, DOI: 10.1109/EFTF/IFCS57587.2023.10272084, HAL-04287802.

CARLE C., ABDEL H.M., KESHAVARZI S., VICARINI R., PASSILLY N. and BOUDOT R., “A Ramsey-based microcell CPT clock with fractional frequency stability in the low 10⁻¹² range at 10⁵ s”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

CARLE C., KESHAVARZI S., MURSA A., KARVINEN P., CHUTANI R.K., BARGIEL S., VICARINI R., ABBE PH., ABDEL H.M., MAURICE V., BOUDOT R. and PASSILLY N., “Mitigation of He permeation in microfabricated vapor cells with alumino-silicate glass and Al2O3 coatings”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

COTXET J., GUTTY F., BAILI G., MORVAN L., DOLFI D., HOLLEVILLE D. and GUERANDEL S., “Ramsey CPT signal generation with a miniature clock bench and a dual-frequency optical generator”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, HAL-04293259.

FLUHR Ch., DUBOIS B., CALOSSO C., VERNOTTE F., RUBIOLA E. and GIORDANO V., “A Cryogenic Sapphire Oscillator with 10⁻¹⁶ mid-term ADEV”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, may. 2023.

FLUHR Ch., DUBOIS B., PARIS J., LE TETU G., SOUMANN V., RUBIOLA E. and GIORDANO V., “Technology Readiness of the Cryogenic Sapphire Oscillator”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

FRIEDT J.-M., LOURS M., GOAVEC-MEROU G., DUPONT M., CHUPIN B., CHIU O., MEYER E., MEYER F. and ACHKAR J., “Development of an opensource, openhardware, software-defined radio platform for two-way satellite time and frequency transfer”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, DOI: 10.1109/EFTF/IFCS57587.2023.10272067, HAL-04257709.

GILLOT J., HARIRI Y., LACROUTE C., MILLO J. and KERSALE Y., “Development of an ultra-stable cryogenic silicon optical cavity”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

GILLOT J., PUHALO-SMITH J., HARIRI Y., BARBARAT J., LACROUTE C., MILLO J. and KERSALE Y., “Searching for dark matter with a cryogenic silicon Fabry-Pérot cavity”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

GUSCHING A., MILLO J., VICARINI R., ABDEL H.M., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Towards a high-stability Cs-microcell stabilized laser with dual-frequency sub-Doppler spectroscopy”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

HARTMAN M. T., LIN X., POINTARD B., LE TARGAT R., FANG B., LE COQ Y., GOLDNER P. and SEIDELIN S., “First measurements of spectral hole line shifts at dilution temperatures for laser stabilization, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, HAL-04460611.

MADUNIC J., ABDEL H.M., KERSALE Y. and LACROUTE C., “Characterization of a surface electrode Paul trap for frequency metrology”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023.

VOISIN V., MELLET L., RUSSO S., GUIGUE M., POPOV B., CHUPIN B., LIM C. B., CHIU O., TUCKEY P., POTTIE P.-E., UHRICH P. and ABGRALL M., “Advanced time transfer comparison: GNSS versus fiber over a 3 km long baseline”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023)), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, HAL-04105979.

YUN P., YANG T., BOUDOT R. and DE CLERCQ E., “Constructive, destructive and differential detection of coherent population trapping resonance”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, HAL-04224383.

ZYSKIND C., ANDIA M., GUO C. and BIZE S., “Towards the development of an optical lattice clock using bosonic isotopes of mercury”, 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the European Frequency and Time Forum (IFCS-EFTF 2023), Toyama, Japan, 15-19 May 2023, HAL-04505900.

LEVEQUE T., BEAUFILS Q., PEREIRA DOS SANTOS F. and CARIOQA consortium, “CARIOQA-PMP: Towards climate studies using quantum technologies”, Quantum Sensors for Science Exploration, Nordwijk, ESTEC, The Netherlands, 25 May 2023, HAL-04393566.

MERLET S., “Atomic sensors metrology for long term and trustable monitoring of climate change Key Geodetic Parameters”, Workshop on new activities and digitalization, 19th meeting of CCM, Sèvres (BIPM), France, 25 May 2023, HAL-04109791.

RAHMOUNI F., POINTARD B., LARTAUX-VOLLARD A., LODEWYCK J., POTTIE P.-E., DELVA P., MORENO W., PANET I., LEQUENTREC-LALANCETTE M.-F., JAMET O., LION G. and LE TARGAT R., “An Yb transportable clock connected to the REFIMEVE network”, Assemblée Générale de l’Equipex T-REFIMEVE, Villetaneuse (Université Paris 13), France, 6 juin 2023, HAL-04212847.

ZYSKIND C. et al., “Mercury optical lattice clock and its participations to optical fiber link comparisons”, Assemblée Générale de l’Equipex T-REFIMEVE, Villetaneuse (Université Paris 13), France, 6 juin 2023.

BAPTISTA J.G., CAMBIER V., SIDORENKOV L., MERLET S. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Ultra high sensitivity quantum gravi-gradiometer”, YAO 2023, Barcelona, Spain, June 2023, HAL-04393534

RAHMOUNI F., ROMERO GONZALEZ J., BENJAMIN P., MORENO W., DELVA P., POTTIE P.-E., LODEWYCK J. and LE TARGAT R., “Towards a transportable Ytterbium optical lattice clock for geodetic explorations”, Time and Frequency Seminar, Paris, France, 8 juin 2023, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-04212887.

BALLAND Y., ABSIL L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Ten quectonewton local force sensor with atom interferometry”, 54th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS 54), Strasbourg, France, 18-22 juin 2023, HAL-04393550.

CALLEJO M., VICARINI R., MURSA A., ABBE PH., KLINGER E., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Rb microfabricated cells for a two-photon optical frequency reference”, 54th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS 54), Strasbourg, France, 18-22 juin 2023.

CAMBIER V., BAPTISTA J. G., SIDORENKOV L., MERLET S. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Quantum enhanced ultra high sensitivity gravi-gradiometer”, 54th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS 54), Strasbourg, France, 18-22 juin 2023, HAL-04393591

ROMERO GONZALEZ 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., “An efficient Zeeman slower for the ROYMAGE transportable Ytterbium clock”, 54th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS 54), Strasbourg, France, 18-22 juin 2023, HAL-04139115.

SHANG H., CIFUENTES MARIN M. A., LE TARGAT R. and LODEWYCK J., “Observation of quantum correlations on the strontium optical lattice clock transition”, 54th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS 54), Strasbourg, France, 18-22 June 2023, HAL-04457667.

BREUREC J., ABDEL H.M., VICARINI R., CALOSSO C., LELIEVRE O. and BOUDOT R., « Mesures de déplacements de fréquence dans une horloge atomique CPT à cellule de césium haute performance », Journée du Club Optique Micro-ondes de 2023 (JCOM 2023), Visioconférence, France, 19 juin 2023.

CALLEJO M., VICARINI R., MURSA A., ABBE Ph., KLINGER E., PASSILLY N. and BOUDOT R., “Rb microfabricated cells for a two-photon optical frequency reference”, 2023 International Network for Micro-fabricated Atomic Quantum Sensors Technical Workshop (INMAQS 2023), Estes Park Colorado, United States, 21-23 June 2023.

BOIVIN J., DENAUD L., GIRARDON S., TEYSSIEUX D. and FROEHLY L., “Determination of light transmittance in french local tree species”, 20th International Conference on Experimental Mechanics (ICEM20 2023), Porto, Portugal, 2-7 July 2023.

BALLAND Y., ABSIL L. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Ten quectonewton local force sensor with atom interferometry”, 26^e Congrès Général de la SFP, Paris, France, 3 juillet 2023, HAL-04393537.

BEAUFILS Q., PEREIRA DOS SANTOS F. and CARIOQA consortium, “CARIOQA: a pathfinder for space atom interferometry”, 26^e Congrès Général de la SFP, Paris, France, 3 juillet 2023, HAL-04393584.

ELANDALOUSSI H., CAHUZAC N., LEULIET M., MARIE-JEANNE P., ROUILLE C., ZANON-WILLETTE T., MANCEAU M., LOPEZ O., DARQUIE B., ABGRALL M. and JANSSEN C., “Si Traceable high precision spectroscopy of ozone using a quantum cascade laser at 9.5 micrometer”, Congrès des 150 ans de la Société Française de Physique, Paris, France, 3-7 juillet 2023, HAL-04421778.

HOSSEINIARANI A., SCHILLING M., BEAUFILS Q., KNABE A., TENNSTEDT S., SCHOEN S., PEREIRA DOS SANTOS F. and MULLER J., “Advances in cold atom interferometer accelerometry and their impact on the sensitivity of gravity missions”, 28th IUGG General Assembly, Berlin, Germany, 11-20 July 2023, HAL-04393545.

KNABE A., SCHILLING M., HOSSEINIARANI A., ROMESHKANI M., MULLER J., BEAUFILS Q. and PEREIRA DOS SANTOS F., “Cold atom interferometry accelerometry for future low-low satellite-to-satellite tracking and cross-track gradiometry satellite gravity missions”, 28th IUGG General Assembly, Berlin, Germany, 11-20 July 2023, HAL-04393546.

SCHILLING M., BATTELIER B., FORSBERG R., GAALOUL N., GRUBER T., VON KLITZING W., LEVEQUE T., MIGLIACCIO F., MULLER J., PEREIRA DOS SANTOS F. and ZAHZAM N., “Scientific assessment of the CARIOQA-PMP quantum accelerometer pathfinder”, 28th IUGG General Assembly, Berlin, Germany, 11-20 July 2023, HAL-04393554.

SCHUBERT C., BEAUFILS Q., PEREIRA DOS SANTOS F. and CARIOQA consortium, “CARIOQA-PMP: Developing quantum sensors for earth observation”, 28th IUGG General Assembly, Berlin, Germany, 11-20 July 2023, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-04393567.

FANG B., LIN X., HARTMAN M., POINTARD B., LE TARGAT R., FERRIER A., GOLDNER P., SEIDELIN S. and LE COQ Y., “Beyond T⁴ behaviour of spectral hole frequencies in Eu:YSO at dilution temperatures”, 2023 Rare Earth Ions for Quantum Information (REIQI) Workshop, Lund, Sweden, September 2023, HAL-04460600.

MARLIERE N., GUESSOUM M., GEIGER R. and LANDRAGIN A., “High-performance gyroscope for rotational seismology”, Réunion du projet QAFCA, Toulouse, France, 5 septembre 2023, HAL-04231601.

MARLIERE N., GUESSOUM M., GAUTIER R., BOUTON Q., SIDORENKOV L.A., GEIGER R. and LANDRAGIN A., “Dual axis cold-atom gyroscope”, Réunion du projet QAFCA, Toulouse, France, 5 sept. 2023, HAL-04231562.

RAHMOUNI F., ROMERO GONZALEZ J., BENJAMIN P., MORENO W., DELVA P., POTTIE P.-E., LODEWYCK J. and LE TARGAT R., « Horloge Yb transportable », Réunion du projet QAFCA, Toulouse, France, 5 sept. 2023, HAL-04209798.

LEVEQUE T., PEREIRA DOS SANTOS F., BEAUFILS Q. and CARIOQA consortium, “CARIOQA-PMP: Towards a pathfinder mission for quantum space gravimetry”, 6^th Quantum Technology Conference, Matera, Italia, 19 September 2023, HAL-04393570.

BIZE S., “Optical lattice clocks”, Frequency Standards and Precision Measurement Summer School, Gold Coast, Queensland, Australia, conf. invitée le 10 oct. 2023.

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