EP2220541A1 - Horloge atomique reglee par un champ statique et deux champs oscillants - Google Patents

Horloge atomique reglee par un champ statique et deux champs oscillants

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EP2220541A1
EP2220541A1 EP08860180A EP08860180A EP2220541A1 EP 2220541 A1 EP2220541 A1 EP 2220541A1 EP 08860180 A EP08860180 A EP 08860180A EP 08860180 A EP08860180 A EP 08860180A EP 2220541 A1 EP2220541 A1 EP 2220541A1
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EP
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atomic clock
frequency
magnetic field
field
gas
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EP08860180A
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EP2220541B1 (fr
Inventor
Matthieu Le Prado
Jean-Michel Leger
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks

Definitions

  • the subject of this invention is an atomic clock set or dressed by two oscillating fields and a static field which are applied in a shield.
  • Atomic clocks comprise an often alkaline gaseous medium, a device for exciting the atoms of this gas such as a laser, able to pass them to higher energy states, and a means for measuring a frequency signal emitted by atoms returning to the usual energy level, using the photons from the laser.
  • the energy levels then appear as composed of sub-levels corresponding to slightly different states, which are distinguished by their magnetic quantum number m, 0 for a reference state of the energy level and -1, -2, etc. or +1, +2, etc. for the others.
  • Energy levels are sensitive to the surrounding magnetic field. This sensitivity is low (of the second order) for the sub-level with the magnetic number equal to 0, but much stronger (of the first order) for the other sub-levels: the transitions made from or up to them produce photons whose the frequency is variable and can not be used as a reference, and only the portion of the signal corresponding to the transition between the two sub-levels of zero magnetic number is used for the measurement, which affects its quality.
  • Magnetic shielding is therefore used around the clock to reduce external disturbances and to apply a constant magnetic field in the shield to separate the sub-levels, failing to guarantee a zero magnetic field. If the operation of the clock is made more stable, the sub-levels then being immobile and therefore well defined, the disadvantage of undergoing a dispersion of frequencies and having to be satisfied with a weakened signal is not avoided.
  • the invention is based on an improvement, according to which a second oscillating field is added to the device.
  • the invention then comprises a cell filled with a gas, a gas exciter for passing its atoms to a higher energy level, a detector for collecting a light signal passing through the gas, a magnetic shield around the cell and means for applying magnetic fields in the shield, including a static magnetic field, characterized in that the magnetic field application means also apply two oscillating magnetic fields, perpendicular to each other and to the static magnetic field.
  • the addition of the second oscillating magnetic field makes it possible to obtain with much greater certainty a resulting magnetic field equivalent to a zero magnetic field for the excited atoms, that is to say with a much lower sensitivity to disturbances.
  • FIG. 1 already described and FIG. 2 already described illustrate two diagrams of the energy levels of a chemical element used in an atomic clock
  • FIG. 3 is a schematic view of the clock
  • Figure 4 is a graphic representation of functions illustrating the effect of the invention.
  • FIG. 3 The heart of the clock is a cell 1 filled with an alkaline gas.
  • An exciter 2 transmits energy to this gas in the form of a polarized photon flux passing through a circular polarizer 3.
  • the exciter may also be a microwave field, for example. It will then be necessary anyway to inject a light beam (for example of laser) to detect the resonances of the gas.
  • a photodetector 4 collects the light energy restored by the gas of the cell 1 and transmits a signal to a counting device 5.
  • a frequency separator 6 collects the signal at the output of the counting device 5 and transmits its results to an operating device 7 of the clock and a servo-control device 8 which controls the exciter 2 as well as means for applying magnetic fields 9 and 10.
  • These latter emit magnetic fields at radio frequencies of pulsations noted ⁇ and CO, which are perpendicular to each other and direction dependent on the polarization (for example perpendicular to the light rays emitted by the exciter 2 in the case of a circular polarization).
  • These oscillating magnetic fields are applied in a magnetic shielding 11 which includes the cell 1 and the magnetic field application means 9 and 10.
  • inequalities H 0 ((((- ((-, that is to say that the r. ⁇ ⁇ ⁇ second radio frequency field has the same effects as the first on the static field but that its pulsation is much less than that of the first field of radiofrequencies.
  • the frequencies of the two oscillating fields should not be too large: they should not exceed (/ o / 4) approximately, where fo already mentioned is the frequency of the hyperfine transition and corresponding to the change of energy level of the atoms in the gas.
  • the first oscillating magnetic field then also undergoes modifications which result in an attenuation of its amplitude H ⁇ by the Bessel function.
  • the system composed of the two radiofrequency fields and the static magnetic field is therefore equivalent to a fictitious radiofrequency field
  • H 0 H 0 -J 0 ⁇ 'Hy (r ⁇ ⁇
  • Bessel which would have given a sensitivity to the defects of setting even lower.
  • Experimental settings may differ slightly from the theoretical settings. It is possible to perform them by exploiting information given by a low frequency sinusoidal magnetic field ⁇ (much less than 1/2 ⁇ T) and collinear with H 0 . This field induces disturbances on the signal delivered by the clock at frequencies fo ⁇ ⁇ . It will then be possible to quantify the sensitivity of the signal delivered by the atomic clock to the variations of the static magnetic field by a synchronous detection at the frequency of this disturbance.
  • An interesting operating point can be obtained by first adjusting the amplitude H ⁇ of the field at the highest frequency ( ⁇ / 2 ⁇ ) to a maximum of sensitivity of the static field H 0 .
  • the other radio frequency field H ⁇ will then be added and adjusted to obtain a minimum sensitivity of H 0 .
  • the servo-control device 8 can be used for a continuous adjustment of the amplitude of the second radio-frequency field according to this principle of keeping a minimum of sensitivity of the signal delivered by the clock.
  • the single exciter may be a photon flux such as a laser flux emitted for example by a laser diode or a lamp.
  • the gaseous element may consist of 87 Rb, 133 C 3 , with optional mixing with a buffer gas.
  • the material of cell 1 may consist of a glass such as Pyrex (trademark).
  • the means for applying the magnetic fields 9 and 10 may consist of triaxial coils, or of three monoaxial coils concentric with each other.
  • the photodetector 4 can be of any kind measuring a flow of photons at the output of the cell 1.
  • the magnetic shield 11 may consist of n metal cylinders imbricated, possibly with a soft iron cylinder.
  • the wavelength of the laser photons was 780nm
  • a quarter wave plate imposed a left circular polarization to the incident photons
  • the magnetic shield 11 consisted of four cylinders of ⁇ concentric metal and a soft iron cylinder outside
  • the magnetic field H 0 was 100 microgauss in the main axis
  • ⁇ was equal to 670 kilohertz per gauss
  • radio frequencies were 3 kilohertz and 20 kilohertz to respective magnitudes of 27 and 114 milligauss in order to impose the previously identified conditions of process validity.

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Description

HORLOGE ATOMIQUE REGLEE PAR UN CHAMP STATIQUE ET DEUX
CHAMPS OSCILLANTS
DESCRIPTION
Le sujet de cette invention est une horloge atomique réglée ou habillée par deux champs oscillants et un champ statique qui sont appliqués dans un blindage .
Des horloges atomiques comprennent un milieu gazeux souvent alcalin, un dispositif d'excitation des atomes de ce gaz tel qu'un laser, apte à les faire passer à des états d'énergie supérieurs, et un moyen de mesure d'un signal fréquentiel émis par les atomes en revenant au niveau d'énergie habituel, en utilisant les photons provenant du laser. La fréquence des photons restitués par le gaz est définie par la formule V =ΔE/h, où V est la fréquence, ΔE la différence entre les niveaux d'énergie et h la constante de Planck, égale à 6, 63xlO~34 J. s. Il est connu que cette fréquence est très stable et qu'elle peut donc servir d'unité de référence au temps. Cela n'est toutefois plus vrai quand on considère la structure Zeeman de la matière : les niveaux d'énergie apparaissent alors comme composés de sous-niveaux correspondant à des états un peu différents, qu'on distingue par leur nombre quantique magnétique m, 0 pour un état de référence du niveau d'énergie et -1, -2, etc. ou +1, +2, etc. pour les autres. Cela est illustré par la figure 1 dans le cas de l'élément 87Rb, dont on a figuré la décomposition des deux premiers niveaux d'énergie (de moments angulaires F=I et F=2) .
Les niveaux d'énergie sont sensibles au champ magnétique ambiant. Cette sensibilité est faible (du second ordre) pour le sous-niveau au nombre magnétique égal à 0, mais beaucoup plus forte (du premier ordre) pour les autres sous-niveaux : les transitions faites depuis ou jusqu'à eux produisent des photons dont la fréquence est variable et ne peut donc pas servir de référence, et seule la portion du signal correspondant à la transition entre les deux sous- niveaux de nombre magnétique nul est exploitée pour la mesure, ce qui nuit à sa qualité. La fréquence de référence donnée par l'horloge est alors la fréquence de la transition hyperfine considérée dans le gaz fo=E0/h, où E0 est la différence d'énergie entre les sous-niveaux à m=0 des deux états (F=I et F=2 dans l'exemple de la figure 1) .
On recourt donc à un blindage magnétique autour de l'horloge pour réduire les perturbations extérieures, et à l'application d'un champ magnétique constant dans le blindage pour bien séparer les sous- niveaux, à défaut de garantir un champ magnétique nul. Si le fonctionnement de l'horloge est rendu plus stable, les sous-niveaux étant alors immobiles et donc bien définis, l'inconvénient de subir une dispersion des fréquences et de devoir se contenter d'un signal affaibli n'est pas évité.
Avec l'invention, on s'efforce de perfectionner les horloges atomiques existantes en les faisant travailler en champ magnétique nul afin de concentrer les sous-niveaux à une même valeur d'énergie et d'obtenir un signal comprenant un pic de mesure beaucoup plus net.
Il a été proposé de faire participer les sous-niveaux à nombre magnétique non nul au signal utile en supprimant la dispersion des énergies entre sous-niveaux que le champ statique provoque. L'article de Haroche "Modified Zeeman hyperfine spectra observed in H1 and Rb87 ground states interacting with a nonresonant RF field", Physical Review Letters, volume 24, numéro 16, 20 avril 1970, pages 861 à 864, révèle que l'effet du champ magnétique statique peut être annihilé pour les atomes excités en appliquant un champ oscillant qui lui est perpendiculaire, à condition de respecter la double inégalité où H0 est l'intensité du champ statique, T le temps de relaxation des atomes, CO la pulsation du champ oscillant, et γ le moment gyromagnétique . Les différences d'énergie ΔE entre les sous-niveaux d'un même niveau deviennent alors toutes nulles dans chaque niveau, les photons restitués par le gaz correspondent tous à la différence d'énergie E0, l'état de la matière de la figure 2 étant alors obtenu : tout se passe comme si un champ résultant (fictif) nul existait.
Cela implique cependant de respecter des rapports déterminés entre l'intensité et la fréquence du champ oscillant pour obtenir cet effet ; or une grande finesse de réglage est nécessaire, une perturbation même faible laissant subsister un champ résiduel fictif non négligeable qui empêche de bénéficier de cette découverte.
L'invention repose sur un perfectionnement, d'après lequel un second champ oscillant est ajouté au dispositif. L'invention comprend alors une cellule remplie d'un gaz, un excitateur du gaz pour faire passer ses atomes à un niveau d'énergie supérieur, un détecteur pour recueillir un signal lumineux traversant le gaz, un blindage magnétique autour de la cellule et des moyens d'application de champs magnétiques dans le blindage, dont un champ magnétique statique, caractérisé en ce que les moyens d'application de champs magnétiques appliquent aussi deux champs magnétiques oscillants, perpendiculaires entre eux et au champ magnétique statique.
L'addition du second champ magnétique oscillant permet d'obtenir avec beaucoup plus de sûreté un champ magnétique résultant équivalent à un champ magnétique nul pour les atomes excités, c'est-à-dire avec une sensibilité beaucoup moins grande aux perturbations .
Il est avantageux que l'horloge comprenne des moyens de réglage soit d'intensité soit de fréquence des champs magnétiques oscillants. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures, dont la figure 1 déjà décrite et la figure 2 déjà décrite illustrent deux diagrammes des niveaux d'énergie d'un élément chimique utilisé dans une horloge atomique, la figure 3 est une vue schématique de l'horloge, et la figure 4 est une représentation graphique de fonctions illustrant l'effet de l'invention.
La figure 3 est abordée. Le cœur de l'horloge est une cellule 1 remplie d'un gaz alcalin. Un excitateur 2 transmet de l'énergie à ce gaz sous forme d'un flux de photons polarisés traversant un polariseur circulaire 3. L'excitateur peut aussi être un champ de micro-ondes par exemple. Il faudra alors de toute façon injecter un fasceau lumineux (par exemple de laser) pour détecter les résonances du gaz. Un photo-détecteur 4 recueille l'énergie lumineuse restituée par le gaz de la cellule 1 et transmet un signal à un dispositif de comptage 5. Un séparateur de fréquences 6 recueille le signal à la sortie du dispositif de comptage 5 et transmet ses résultats à un dispositif d'exploitation 7 de l'horloge et un dispositif d'asservissement 8, qui gouverne l'excitateur 2 ainsi que des moyens d'application de champs magnétiques 9 et 10. Ces derniers émettent des champs magnétiques à des radiofréquences de pulsations notées Ω et CO, qui sont perpendiculaires entre elles et de direction dépendant de la polarisation (par exemple perpendiculaires aux rayons lumineux émis par l'excitateur 2 dans le cas d'une polarisation circulaire) . Ces champs magnétiques oscillants sont appliqués dans un blindage magnétique 11 qui englobe la cellule 1 et les moyens d'applications des champs magnétiques 9 et 10.
On revient à l'explication théorique des phénomènes. La combinaison d'un champ magnétique statique d'intensité H0 et d'un champ de radiofréquences d'intensité Hω et de pulsation CO respectant les conditions indiquées plus haut a un effet équivalent sur les atomes à celui d'un champ magnétique statique fictif d'intensité H0 dont les
composantes sont égales à H0.cos CC et H0-J0 (vHy/Λ . sin α
respectivement dans la direction du champ de radiofréquences et la direction perpendiculaire à ce champ, J0 étant une fonction de Bessel de première espèce et α étant l'angle entre le champ statique et le champ de radiofréquences . Quand les champs sont perpendiculaires entre eux, la première composante disparaît et Or la fonction de Bessel J0 de première espèce est comprise entre -1 et +1 et s'annule en au moins un point. Une représentation graphique en est faite à la figure 4 (courbe 12) . Des choix judicieux du rapport Υ'Hy/ permettent donc d'annuler le champ magnétique résultant fictif H0=O ; un de ces rapports est égal à 2,4. On voit toutefois que la pente de la fonction est importante, et qu'une variation de 10% du réglage produit un champ magnétique résultant dont l'intensité est d'environ 0,1H0, ce qui est excessif. C'est pourquoi le second champ oscillant est ajouté. Il est orthogonal au premier champ de radiofréquences et au champ statique, sa pulsation est Ω et son intensité est Hn. La pulsation Ω satisfait aux
inégalités suivantes H0(( ((—((— , c'est-à-dire que le r.γ γ γ second champ de radiofréquences a les mêmes effets que le premier sur le champ statique mais que sa pulsation est bien moindre que celle du premier champ de radiofréquences . De plus, il faut remarquer que les fréquences des deux champs oscillants ne doivent pas être trop grandes : il convient qu'elles ne dépassent pas (/o/4) environ, où fo déjà mentionnée est la fréquence de la transition hyperfine et correspondant au changement de niveau d' énergie des atomes dans le gaz. Le premier champ magnétique oscillant subit aussi alors des modifications qui se traduisent par une atténuation de son amplitude H^ par la fonction de Bessel. Le système composé par les deux champs de radiofréquences et le champ magnétique statique est donc équivalent à un champ de radiofréquences fictif
H J (^ω/ ω 1 cos (Ωt) et un champ statique fictif
H0=H0-J0 γ'Hy( rωΛ |, et ce système est lui-même équivalent,
d'après ce qui précède, à un champ statique fictif H0" atténué par la contribution des deux champs de radiofréquences, d'intensité
Ce champ peut s'annuler par des réglages particuliers de chacun des champs de radiofréquences . La figure 4 montre un exemple d'évolution du rapport
H0 / H0 en fonction de Υ'HΆ//Ç. (courbe 13) : H0 s'annule
une première fois pour un rapport Y'H0V/c. = 6,0. Cette valeur dépend de celle de J0(' /) , qui, dans le cas présent, a été choisie à 3,8, c'est-à-dire un extrémum de la fonction de Bessel de la courbe 12. En se plaçant ainsi, on supprime la sensibilité de H0 aux variations de ( Υ'Hco// ) , ce qui stabilise son réglage. La
sensibilité de H0 aux variations de Υ'H"//-> reste toutefois du premier ordre, mais elle est significativement atténuée par rapport à ce que l'on obtient avec un seul champ de radiofréquences, comme la comparaison des courbes 12 et 13 le montre, puisque la pente aux croisements de l'axe des abscisses (aux ordonnées nulles) est réduite d'un facteur qu'on peut
démontrer égal à Jo /(Λ • Une variation de 10% de
' /ç. autour de la valeur de 6, 0 induit un champ fictif
H0 = (J0(3,8))2χ 0,1 XH0 =0,016 H0 au lieu de 0,1 H0 avec un seul champ de radiofréquences : la sensibilité aux défauts de réglage est réduite de 84%. Par ailleurs,
J0 // étant à un extrémum, H0 n'est pas sensible
aux variations de ce rapport autour de ce point de réglage. Il serait évidemment possible de placer le rapport Y'H0V/ à d'autres extrémums de la fonction de
Bessel, ce qui aurait donné une sensibilité aux défauts de réglage encore plus faible.
Les réglages expérimentaux peuvent légèrement différer des réglages théoriques. Il est possible de les effectuer en exploitant une information donnée par un champ magnétique sinusoïdal à basse fréquence υ (très inférieure à 1/2 πT) et colinéaire à H0. Ce champ induit des perturbations sur le signal délivré par l'horloge aux fréquences fo±υ. On pourra alors quantifier la sensibilité du signal délivré par l'horloge atomique aux variations du champ magnétique statique par une détection synchrone à la fréquence de cette perturbation. Un point de fonctionnement intéressant pourra être obtenu en réglant d'abord l'amplitude Hω du champ à la plus haute fréquence (ω/2π) à un maximum de sensibilité du champ statique H0. L'autre champ de radiofréquences HΩ sera ensuite ajouté et ajusté pour obtenir un minimum de sensibilité de H0. Le dispositif d'asservissement 8 peut servir à un réglage continu de l'amplitude du deuxième champ de radiofréquences en fonction de ce principe de conserver un minimum de sensibilité du signal délivré par l'horloge. L'excitateur unique peut être un flux de photons tel qu'un flux de laser émis par exemple par une diode laser ou une lampe. L'élément gazeux peut consister en du 87Rb, du 133C3, avec mélange éventuel à un gaz tampon. La matière de la cellule 1 peut consister en un verre tel que le Pyrex (marque déposée) . Les moyens d'application des champs magnétiques 9 et 10 peuvent consister en des bobines triaxiales, ou en trois bobines monoaxiales concentriques entre elles. Le photo-détecteur 4 peut être de n'importe quel genre mesurant un flux de photons en sortie de la cellule 1. Ces photons doivent être polarisées par exemple par des polariseurs adjoints à l'excitateur. L'asservissement est accompli par tout matériel connu comprenant une unité de calcul. Les bobines sont pilotées en courant. L'excitation à la fréquence de résonance est accomplie par une modulation en amplitude de la diode laser à la fréquence fo/2, ou par une cavité à micro-ondes résonnant à la fréquence fo . Un excitateur comprenant deux lasers dont l'écart en fréquence est fo peut aussi être envisagé. Le blindage étant alors particulièrement efficace, tous les sous-niveaux deviennent équivalents puisque le champ est nul. On peut alors utiliser d'autres gaz que ceux employés habituellement dans les horloges atomiques (gaz alcalins) , en particulier les gaz dont la structure hyperfine de leurs atomes ne présente pas de sous-niveaux à moment angulaire nul, tels que 3He.
Le blindage magnétique 11 peut consister en cylindres de μ métal imbriqués, avec éventuellement un cylindre de fer doux. Dans un cas particulier où l'élément 87Rb était employé, la longueur d'onde des photons du laser était de 780nm, une lame quart d'onde imposait une polarisation circulaire gauche aux photons incidents, le blindage magnétique 11 consistait en quatre cylindres de μ métal concentriques et un cylindre de fer doux à l'extérieur, le champ magnétique H0 était de 100 microgauss dans l'axe principal, γ était égal à 670 kilohertz par gauss, et les radiofréquences étaient de 3 kilohertz et 20 kilohertz à des amplitudes respectives de 27 et 114 milligauss afin d'imposer les conditions précédemment identifiées de validité du procédé .

Claims

REVENDICATIONS
1) Horloge atomique comprenant une cellule (1) remplie d'un gaz, un excitateur (2) du gaz pour faire passer ses atomes à un niveau d'énergie supérieur, un détecteur (4) pour recueillir un signal lumineux traversant le gaz, un blindage magnétique (11) autour de la cellule, et des moyens d'application de champs magnétiques (9, 10) dont un champ magnétique statique, caractérisée en ce que les moyens d'application de champs magnétiques (9, 10) appliquent aussi deux champs magnétiques oscillants, perpendiculaires entre eux et au champ magnétique statique .
2) Horloge atomique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage soit d'intensité soit de fréquence des champs magnétiques oscillants.
3) Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport γHΩ/Ω, où HΩ et Ω sont une intensité et une fréquence d'un des champs magnétiques oscillants, qui a une fréquence plus basse que l'autre, et γ est un rapport gyromagnétique, est égale à 0.
4) Horloge atomique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport ' / , où Hω et ω sont une intensité et une fréquence dudit autre des champs magnétiques oscillants, et γ est un rapport gyromagnétique, est à un extrémum.
5. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'application de champs magnétiques comprennent au moins trois bobines monoaxiales concentriques.
6. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'application des champs magnétiques comprennent au moins une bobine triaxiale magnétique.
7. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le gaz est choisi parmi les gaz alcalins et l'hélium 3.
8. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les champs magnétiques oscillants ont des fréquences au plus égal au quart d'une fréquence de transition hyperfine mesurée par l'horloge.
EP08860180A 2007-12-11 2008-12-10 Horloge atomique reglee par un champ statique et deux champs oscillants Not-in-force EP2220541B1 (fr)

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