EP2220541B1

EP2220541B1 - Horloge atomique reglee par un champ statique et deux champs oscillants

Info

Publication number: EP2220541B1
Application number: EP08860180A
Authority: EP
Inventors: Matthieu Le Prado; Jean-Michel Leger
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: FR2924827B1; JP5596555B2; WO2009074616A1; FR2924827A1; ATE532114T1; US8154349B2; US20100244970A1; JP2011507249A; EP2220541A1

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 ν =ΔE/h, où ν est la fréquence, ΔE la différence entre les niveaux d'énergie et h la constante de Planck, égale à 6, 63x10^-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=1 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 magnétiques 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=E_o/h, où E₀ est la différence d'énergie entre les sous-niveaux à m=0 des deux états (F=1 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 $H_{0} < < \frac{1}{T . γ} < < \frac{ω}{δ}$

où H₀ est l'intensité du champ statique, T le temps de relaxation des atomes, ω 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. Elle concerne une horloge atomique telle que définie dans la revendication 1. Dans une variante préférée, une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport rapport ${{}^{γHω}/}_{ω},$
où H _ω et ω sont une intensité et une fréquence du second champs magnétique oscillant, et γ est ut rapport gyromagnétique, est à un extrémum.
Le document WO-A-2005/081 794 décrit une horloge atomique selon le préambule de la revendication indépendante.
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 coeur 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 ω,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 H_ω et de pulsation ω respectant les conditions indiquées plus haut a un effet équivalent sur les atomes à celui d'un champ magnétique statique fictif d'intensité H'₀ dont les composantes sont égales à H_0·cos α et $H_{0} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}) .$
sin α respectivement dans la direction du champ de radiofréquences et la direction perpendiculaire à ce champ, J ₀ 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 $H_{0}^{ʹ} = H_{0} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}) .$
Or la fonction de Bessel J ₀ 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 ${{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}$
permettent donc d'annuler le champ magnétique résultant fictif H'₀=0 ; 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 H_Ω. La pulsation Ω satisfait aux inégalités suivantes $H_{0} ≪ \frac{1}{T . γ} ≪ \frac{Ω}{γ} ≪ \frac{ω}{γ},$
c'est-à-dire que le 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 (f 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_Ω 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 $H_{Ω} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}) • \cos (Ω t)$
et un champ statique fictif $H_{0}^{ʹ} = H_{0} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}),$
et ce système est lui-même équivalent, d'après ce qui précède, à un champ statique fictif H ₀" atténué par la contribution des deux champs de radiofréquences, d'intensité ${H_{0}}^{..} = {H_{0}}^{.} J_{0} (\frac{γ H_{Ω} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω})}{Ω}) = H_{0} J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}) J_{0} (\frac{γ H_{Ω} . J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω})}{Ω}) .$
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 ${H_{0}}^{.} / H_{0}^{..}$
en fonction de ${{}^{γ H_{Ω}}/}_{Ω}$
(courbe 13) _: $H_{0}^{,,}$
s'annule une première fois pour un rapport ${{}^{γ H_{Ω}}/}_{Ω} = 6, 0.$
Cette valeur dépend de celle de $J_{0} ({{}^{γ H ω}/}_{ω}),$
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 $H_{0}^{,,}$
aux variations de $({{}^{γ H ω}/}_{ω}),$
ce qui stabilise son réglage. La sensibilité de $H_{0}^{,,}$
aux variations de ${{}^{γ H_{Ω}}/}_{Ω}$
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 ${[J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω})]}^{2} .$
Une variation de 10% de ${{}^{γ H Ω}/}_{Ω}$
autour de la valeur de 6,0 induit un champ fictif $H_{0}^{,,} = {(J_{0} (3, 8))}^{2} x 0, 1 x H_{0}^{,,} = 0, 016 H_{0}^{,,}$
au lieu de 0,1 1 H ₀ avec un seul champ de radiofréquences : la sensibilité aux défauts de réglage est réduite de 84%. Par ailleurs, $J_{0} ({{}^{γ H_{ω}}/}_{ω})$
étant à un extrémum, $H_{0}^{,,}$
n'est pas sensible aux variations de ce rapport autour de ce point de réglage. Il serait évidemment possible de placer le rapport ${{}^{γ H_{ω}}/}_{ω}$
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 H _ω du champ à la plus haute fréquence (ω/2π) à un maximum de sensibilité du champ statique H ₀. L'autre champ de radiofréquences H _Ω 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 ¹³³C_s, 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 f₀/2, ou par une cavité à micro-ondes résonnant à la fréquence f₀. Un excitateur comprenant deux lasers dont l'écart en fréquence est f₀ 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

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) sont agencés pour appliquer aussi deux champs magnétiques oscillants, perpendiculaires entre eux et au champ magnétique statique, de sorte qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport $γ H_{Ω} / Ω,$
où H _Ω 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.
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.
Horloge atomique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport ${{}^{γ H ω}/}_{ω},$
où H _ω et ω sont une intensité et une fréquence dudit autre des champs magnétiques oscillants, et γ est un rapport gyromagnétique, est à un extrémum.
Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'application de champs magnétiques comprennent au moins trois bobines monoaxiales concentriques.
Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'application des champs magnétiques comprennent au moins une bobine triaxiale magnétique.
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.
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.