WO1996025835A1 - Configuration de refroidissement radiatif d'atomes neutres a l'aide d'un rayonnement isotrope - Google Patents

Configuration de refroidissement radiatif d'atomes neutres a l'aide d'un rayonnement isotrope Download PDF

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WO1996025835A1
WO1996025835A1 PCT/FR1996/000251 FR9600251W WO9625835A1 WO 1996025835 A1 WO1996025835 A1 WO 1996025835A1 FR 9600251 W FR9600251 W FR 9600251W WO 9625835 A1 WO9625835 A1 WO 9625835A1
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WO
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atoms
cell
laser
radiation
cooled
Prior art date
Application number
PCT/FR1996/000251
Other languages
English (en)
Inventor
Noël DIMARCQ
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/04—Acceleration by electromagnetic wave pressure
    • 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 present invention relates to the field of radiative cooling of neutral atoms.
  • This technique has applications in many fields, notably in atomic interferometry and in time and frequency metrology. More precisely, in this latter field, one can cite the application to atomic clocks, in which the use of cold atoms leads to an exceptional improvement in performance, that is to say the accuracy of the measurement.
  • a standing wave configuration is obtained by interaction with a beam 41-1, 42-1, 43-1 propagating in the same direction, but in the opposite direction.
  • the alignment of two beams is very critical.
  • the second beam is generally produced by reflection of the first on a mirror or separation and reflection of the first on several mirrors, not shown in FIG. 1.
  • Each beam has a frequency equal to fg- ⁇ f, where fg represents the frequency of the resonant transition of the atoms to be cooled, and ⁇ f a discrepancy between the resonant frequency of the atom and the frequency of the laser beams, typically of the order of a few megahertz.
  • the volume of cold atoms obtained, called "optical molasses" is determined by the size of the laser beams: the atoms not belonging to this zone are not cooled.
  • the atoms are pushed in a given direction using one of the laser beams, for example in the direction z in FIG. 1.
  • Two of the laser beams 43, 43-1 are then detuned respectively at the frequencies fg- ⁇ f- ⁇ f and fg- ⁇ f + ⁇ f '.
  • the difference in frequency 2 ⁇ f 'between the two beams makes it possible to launch the cooled atoms in the direction z (shaded area 45 in FIG. 1). They are then available for measurement, for example, in an atomic clock. They then cross a cavity where a microwave field reigns (frequency ⁇ 9.19GHz, corresponding to the difference between two hyperfine levels of the ground state of the cesium atom).
  • the clock signal is then detected by observing the emission of fluorescence light by the atoms which have effected the clock transition.
  • the number of atoms which can be cooled is obviously a critical parameter, since this number will condition the intensity of the signal of the measurement carried out after cooling. This number is directly related to the volume of the optical molasses area. This volume is generally limited because it is fixed experimentally by the size of the laser beams: the atoms not belonging to this zone are not cooled. In the article cited above, a molasses with a volume of 0.5 cm 3 is obtained, containing approximately 7.10 6 cooled atoms.
  • the solution consisting in using laser beams of larger diameter is not satisfactory because this solution requires intense laser radiation emitted by a laser of the titanium-sapphire type with optical power greater than 1 Watt and significant cost.
  • Another problem posed by the sources of cold atoms according to the prior art is that they use optical alignments which are very sensitive to all external disturbances: the laser beams are reflected by mirrors and the perfect alignment of all the mirrors is necessary, any misalignment (due for example to variations in ambient temperature) causing the experiment to stop working.
  • the present invention provides a method and a device for cooling atoms, making it possible to obtain a greater number of cooled atoms than with the devices of the prior art. More specifically, the subject of the present invention is a device for cooling, in three dimensions, a vapor of atoms, characterized in that it comprises a cell for containing the vapor of atoms to be cooled and means for transmitting isotropic laser radiation in at least part of the cell.
  • the means for transmitting isotropic laser radiation in the cell include an opaque container which contains the cell and whose inner surface has diffuse reflection properties as well as at least one orifice intended to receive a source of laser radiation.
  • This device makes it possible to generate, from a low power laser beam, radiation isotropic laser for cooling a large number of atoms.
  • Each source of laser radiation may consist of the end of an optical fiber, all of the fibers being coupled to means for generating a laser beam, for example a laser diode.
  • a device is thus obtained which only involves components of relatively modest cost compared to titanium-sapphire lasers. Furthermore, this device is not likely to be out of adjustment easily, and it does not involve any mirror whose alignment would be critical.
  • the opaque container may be spherical in shape.
  • the orifices made therein for receiving laser sources can be arranged symmetrically in the container.
  • the means for transmitting isotropic laser radiation may comprise an opaque container which contains the cell as well as a laser source, and the inner surface of which has diffuse reflection properties.
  • the efficiency of the device can be further improved by depositing a dry film on the interior surface of the cell intended to contain the vapor of atoms to be cooled.
  • This dry film can consist of octadecyltrichlorosilane or tetracontane.
  • a shadow zone with isotropic laser radiation is formed, for example, by a device allowing the extraction of cold atoms from the cell.
  • the device comprises means for extracting the cooled atoms from the cell, these means being able to operate continuously or in pulses over time.
  • means for collimating the continuous flow of atoms can be provided.
  • the invention also relates to an atomic clock which includes a device for cooling atoms as described above, a microwave cavity, a device for detecting a clock signal and means for controlling the frequency in the microwave cavity.
  • FIG. 1 already described, illustrates a cooling device according to the prior art
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of an atom cooling device according to the invention
  • FIG. 3 represents a diagram of the atomic levels (and of their hyperfine levels) of cesium
  • FIG. 4 represents speed distributions of cooled atoms and of thermalized atoms
  • FIG. 5 represents a device for cooling atoms according to the invention, with an atom ejection system operating continuously,
  • FIGS. 6A and 6B illustrate the principle of a two-dimensional magneto-optical trap
  • FIG. 7 schematically represents an atomic clock in which a cooling device according to the present invention is incorporated
  • FIG. 8 is another atomic clock diagram incorporating a device according to the invention
  • FIG. 9A and 9B show two variants of microwave configuration for a clock according to the invention.
  • FIG. 2 A first embodiment of the invention is illustrated in FIG. 2.
  • reference 2 designates a cell intended to contain a vapor of atoms to be cooled. This cell is transparent at least at the wavelength of the laser radiation which allows the atoms to cool.
  • this cell 2 is connected to means 4 for introducing therein a vapor of atoms to be cooled. This vapor can be produced for example by depositing a certain quantity of a material 6 to be evaporated in connection with means 8 for bringing this material to a certain temperature.
  • the cell can be connected to means 10 which allow pumping, for example in combination with an ion pump not shown in the figure.
  • the means for transmitting isotropic radiation are essentially constituted by an integral sphere 12 whose inner surface 14 allows a diffuse reflection of laser radiation introduced into the sphere.
  • Several types of material can be used to achieve this result.
  • the Spectralon makes it possible to produce a sphere having diffusing properties in the mass: this material returns more than 99% of the incident light and is well suited in particular for wavelengths close to 850 nm.
  • An alternative may consist in coating the internal surface 14 with a layer of a diffusing material, such as a paint for example based on barium sulphate.
  • the means for transmitting isotropic radiation can also be means for transforming laser radiation into isotropic laser radiation: this is the case of the integrating sphere described above, which transforms, by diffuse reflection, laser radiation in isotropic radiation.
  • Such means are then means for transforming a laser beam, in particular a non-isotropic beam, into an isotropic laser beam and for transmitting the latter to all or part of the cell. It is also possible to have, on the one hand, means for generating an isotropic laser beam (for example by transforming a non-isotropic laser beam into an isotropic beam) and, on the other hand, means for transmitting this isotropic laser beam to the cell.
  • a certain number of orifices make it possible to introduce laser radiation at inside the sphere.
  • This introduction can for example be carried out using optical fibers 16, 17, 18, ..., 23 connected for example via optical couplers 24, 26 to a laser source 28.
  • the fibers may advantageously be multimode fibers, each allowing, at its end, to inject part of the laser radiation into the cell. This injection preferably takes place not in a directive manner, but with a certain aperture ⁇ , which is rather favorable to the production of isotropic radiation in cell 2.
  • the laser beam produced being reflected and scattered by the walls of the sphere and thus being transformed into an isotropic laser beam.
  • a pumping laser 30 as well as openings 32, 34 formed in the integrating sphere and which allow a probe beam 36 to pass through the cell 2.
  • the functions of the laser 30 and of the probe beam 36 are specified below.
  • any type of atom can in principle be cooled, but the wavelength of the laser beam allowing cooling must be able to be tuned on an atomic transition characteristic of the atoms in question.
  • Candidates particularly well suited to cooling are therefore the alkalis (Na, Rb, Cs, ...), the alkaline earths. It is also conceivable to cool rare gases or atoms with radioactive nuclei.
  • the frequency of the laser beam is chosen to be slightly lower than the frequency corresponding to this characteristic atomic transition, to take account of the Doppler effect.
  • the atom is then again ready to interact with the radiation at 852 nm.
  • the hyperfin level F 3 of the ground state ⁇ ⁇ Si / 2 therefore somehow forms a trap in the ground state and, if the structure of the chosen atom has such a trap state, it is important to perform a pumpback for the correct functioning of the system.
  • the laser radiation is distributed in practically all the space, and it will undergo a phenomenon of diffusion on the interior surface 14. This phenomenon of diffusion is not directive and makes it possible to return the radiation laser in different directions of space. It is therefore established inside the sphere 12 an isotropic laser radiation in which the cell 2 bathes as well as the vapor that the latter contains.
  • the cooling according to the present invention presents at least two differences. fundamental: no directive standing wave configuration is established, and it is a large volume (the entire volume of cell 2) which is subjected to cooling radiation. As a result, a large number of atoms can be cooled, corresponding to the number of atoms contained in the cell.
  • this cooling phenomenon can only concern the atoms whose speed is below a certain critical speed V c called the capture speed.
  • V c critical speed
  • the capture speed is determined by comparing the detuning by Doppler effect to the natural width of the atomic line, and it is of the order of 5 m / s for laser beams of approximately 1 cm in diameter.
  • An advantage of the present invention is that it is possible to push this capture speed towards a higher value. This is related to the isotropic nature of the laser radiation.
  • the frequency f j _ of the laser lower than the frequency fg of the resonance atomic it is always possible to find an angle ⁇ which makes it possible to satisfy the resonance condition.
  • the laser radiation is isotropic, there exists, in the direction identified by an angle ⁇ with respect to the speed of the atom, a laser wave of frequency f ⁇ _ which therefore makes it possible to satisfy the resonance condition.
  • the capture speed is therefore higher, that is to say it is possible to effectively cool atoms having speeds such that they would not have not been cooled in conventional three-dimensional molasses. Consequently, compared to conventional cooling devices, the number of atoms which can be cooled is increased not only because of the larger volume, as already explained above, but also because of the fact that a whole population of atoms having a speed higher than the "classical" capture speed (ie the capture speed that it was possible to obtain with the prior art) is now available for cooling. This is all the more important as the number N of atoms slowed down is proportional to the power 4 of the speed of capture.
  • the walls of cell 2 can be etched on the outside (by sandblasting) and / or inside (by acid attack) and this in order to avoid any specular reflection on the walls.
  • a "dry film” which allows, during a collision of an atom contained in the cell with the interior wall of this cell, to prevent the atom from sticking to the wall for too long.
  • dry film Such films are described in the article by M. Stephens et al., Physical Review Letters, volume 72, pp. 3787-3790 (1994).
  • a film consisting of octadecyltrichlorosilane (OTS) is particularly well suited.
  • a film made of tetracontane may also be suitable. In practice, depositing this kind of product (which is liquid) is relatively simple.
  • the deposit After a step of depositing a thin layer of product inside the cell, the deposit is dried, and is then tested by introducing a small drop of water inside the cell. The drop will not cling to the wall as it does on a wall not provided with a deposit. This test is qualitative but effective.
  • an atom cooling device such as that illustrated in FIG. 1 has been produced, with a glass cell 2 of diameter 4 cm centered in an integrating sphere 12 made of Spectralon material (very pure teflon), of diameter 8 cm, 14 optical fibers led into the sphere, which corresponds to fibers arranged along longitudes and latitudes of the sphere spaced 60 °. This number is also compatible with fiber couplers with one input and 16 outputs available commercially.
  • the laser source 28 chosen was a semiconductor laser source (power of the order of 100 mW) and of high spectral purity
  • the population of cooled atoms was probed using a probe beam 36 (see FIG. 1) making it possible to demonstrate the refinement of a linear absorption line at 852 nm (line D2 of cesium), this refinement being the mark of cooling.
  • the line width obtained is equal to 5 MHz, that is to say the natural width of the line 852 nm from cesium. This width corresponds to a temperature of 40 mK, but the actual temperature of the cooled atoms is, as said above, at most of the order of 120 ⁇ K. Therefore, the probe beam can be used to determine the density of cooled atoms, but not their exact temperature.
  • the use of a probe beam is absolutely not necessary and the probe beam is replaced by a laser beam or a device making it possible to eject the cooled atoms outside the cell, for example in the z direction.
  • the atom ejection technique will be described later.
  • the configuration described above makes it possible to obtain optimal isotropic radiation.
  • an isotropic radiation configuration can be obtained with a smaller number of laser sources, for example by using only the two fibers 18, 22 (see FIG. 1) arranged symmetrically. It is also possible to obtain isotropic laser radiation inside the sphere by using only one source in a single orifice made in the sphere.
  • the spherical shape if it makes it possible to obtain an optimal configuration of radiation, can be replaced by various other shapes (for example, an ellipsoidal shape).
  • the integrating sphere 12 can be replaced in general by an opaque container which contains the cell 2 and whose inner surface has diffuse reflection properties as well as at least one orifice intended to receive at least one source of laser radiation.
  • cell 2 is not limited to a spherically shaped cell.
  • this device is insensitive to variations in ambient temperature (it is not necessary to cool the wall of cell 2), as well as to variations in the external magnetic field.
  • the sensitivity to any variation in temperature and / or external magnetic field was on the contrary very important.
  • the optical components are simple: the laser sources used are small and inexpensive sources: a laser diode of 100 mW is sufficient to generate isotropic laser radiation in an integrating sphere. Furthermore, it is possible to estimate that only about 30 mW of the power from this laser source is distributed in the integrating sphere, which means that a power of 30 mW is enough to get one. efficient cooling in this sphere.
  • the atoms can be ejected from the cell from which they were cooled, the method and the device for ejection depending on the operating mode.
  • a laser beam 48 is directed in the opposite direction to the beam 46, towards the interior of the cell.
  • This second beam has a frequency fg- ⁇ f- ⁇ f, ⁇ f 'having been defined above.
  • These two beams 46, 48 create a standing wave configuration which makes it possible to give the cooled atoms a certain speed in the direction z (see FIG. 2), while continuing to cool them in this same direction.
  • the frequency shifts ⁇ f and ⁇ f can be easily obtained using acousto-optical crystals which make it possible to modulate the frequency of a laser beam.
  • the pulses of laser beams 46, 48 having a duration of the order of a few milliseconds for atomic ejection speeds of the order of a few meters / second.
  • references 52 and 54 respectively designate the cell made of transparent material which contains the atoms to be cooled and a sphere integral.
  • the elements used to create a laser beam, which is then transformed by the sphere into an isotropic laser beam, are not shown in detail in this figure.
  • a laser beam 56, of frequency fg- ⁇ f + ⁇ f enters the sphere 54 then in the cell 52 by the left part of FIG. 5, while a laser beam 58 of frequency fg- ⁇ f- ⁇ f enters the cell 52 and the sphere 54 by means of two orifices 60, 62 formed respectively in the sphere and in the cell.
  • the beams 56, 58 are emitted continuously over time, so that there is extracted from cell 52 a continuous stream of cooled atoms, which move at a speed determined by ⁇ f '.
  • a diaphragm 64 in the form of a cylinder is introduced by the orifices 60, 62. This diaphragm or cylinder overflows towards the inside of the cell 52. Because of this overflow, the atoms of the cell 52, which are inside the cylinder 64, are not subjected to radiation isotropic laser cooler. A shadow zone is thus created inside the volume of cell 52, an area which escapes isotropic laser radiation. After cooling, a part of the cooled atoms diffuses little by little towards the interior of the cylinder 64.
  • the cylinder 64 is made of graphite, it also has the function of preventing "hot" atoms (in particular atoms whose speed is greater than the critical speed, and which therefore have a low probability of being slowed down by isotropic radiation) to also be carried by the beams 56, 58.
  • "hot" atoms in particular atoms whose speed is greater than the critical speed, and which therefore have a low probability of being slowed down by isotropic radiation
  • This is due to the nature of graphite, which makes it possible to adsorb the "hot” atoms (in fact, graphite adsorbs all the cesium atoms which enter colliding with this material; however, cold atoms have a low probability of colliding with graphite and it is mainly hot atoms that are adsorbed).
  • the shape of the diaphragm 64 can be different from that of a cylinder: it can be for example a conical shape, the main thing is that this shape can fulfill its function which is to create a shadow area at the inside of cell 52 for isotropic laser radiation.
  • Pumping means are provided (not shown in the figure) to maintain ultra-vacuum conditions in the path of the atom beam.
  • the two beams propagating along each axis x, y are circularly polarized in opposite directions to each other.
  • the beam 70 has a negative circular polarization ( ⁇ ⁇ ) along the x-axis, while the beam 72 has a positive circular polarization ( ⁇ + ); the same goes for beams 66
  • FIG. 6B Means for producing such a field are illustrated in FIG. 6B, where three pairs of coils (81, 83), (85, 87), (89, 91) mounted in anti-Helmholz position, centered on the x axes, are represented. and y. All the coils are traversed by the same current I, in the direction indicated in FIG. 6B for each coil.
  • the coils 89 and 91 have a number of turns double the other coils (for example 16 turns for the coils 89, 91 and 8 turns for the others).
  • the distance between the two coils is approximately equal to the radius of these coils. So, for the following configuration:
  • the reference 76 designates a source of cold atoms according to the present invention, as just described, and operating in pulsed or continuous mode.
  • the beam is then directed to a device 80 for detecting the clock signal.
  • the servo electronics sends a frequency correction signal to a quartz oscillator 84 which itself controls a frequency synthesis device 86.
  • the servo electronics 82, the quartz oscillator 84, and the frequency synthesis device 86 are more precisely described in the work of J. VANIER et al-, entitled “The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards", flight. 1, edited by Adam HILGER, Bristol and Philadelphia, 1989, chapter 5, ⁇ 5.4 (pages 708 to 751).
  • cylindrical cavities 78 can be envisaged: one-mode cavity (TEg ⁇ mode) or N-mode cavity (TEg 1N mode).
  • the device described above is also well suited to be implemented in an atomic clock such as that illustrated in FIG. 8.
  • the elements 82, 84, 86, 88 denote elements identical to those described above in connection with FIG. 7.
  • the difference, compared to the first clock described above, resides in that the cold atoms are not extracted of the cell in which they are cooled. This configuration therefore has the great advantage of not having to generate a jet of cooled atoms, and it therefore makes it possible to obtain clocks which are clearly more compact, with equal performance.
  • this clock comprises for example a cell such as that described above in connection with FIG. 2.
  • An isotropic laser radiation makes it possible to cool the atoms contained in the cell, in the manner described above.
  • Means are provided for additionally introducing, into the cell, an additional laser beam for detecting the clock signal. In FIG. 2, these means are designated by the references 32 and 34.
  • the same means make it possible to optionally introduce a pumping beam, having the function already described above in conjunction with FIG. 3.
  • means are provided for generating microwave radiation and directing it towards the cell in which the atoms have been cooled. Therefore, cooling, microwave excitation and optical interrogation take place in the same cell.
  • the assembly constituted by the cell and its cooling means, the means for generating and directing microwave radiation in the cell, and the optical interrogation means, is generally designated in FIG. 8 by the reference 93.
  • the means for generating and directing microwave radiation in the cell two variants can be envisaged, which are shown diagrammatically in FIGS. 9A and 9B.
  • the reference 94 designates the cell containing the cooled atoms.
  • the means for introducing the various laser rays are not shown. In the variant of FIG.
  • the cell 94 is located inside a resonant cavity 96, for example a spherical or cylindrical cavity.
  • the cavity is resonant at the frequency of the clock transition.
  • a microwave standing wave is generated in cell 94.
  • a microwave horn comprising a microwave source 98 and means 100 for directing the microwaves generated towards cell 94 , is positioned so as to direct the microwaves generated towards cell 94. This gives a progressive wave structure inside the latter. If these two variants are compared, the first (of the "standing wave” type) makes it possible to eliminate the Doppler effect of the first order, which displaces the frequency of the clock, without fail. But it requires the installation of a cavity 96.
  • the second variant (of the "progressive wave” type) is very simple but, if one does not want to be hindered by the first order Doppler effect, the displacement of the atoms during My interaction time must take place over a very small length compared to the wavelength of the microwave radiation. This is possible since, if the microwave frequency is of the order of 9.2 Gigahertz, the wavelength of the microwave radiation is of the order of 3 cm. However, line widths of the order of a few hundred hertz correspond to interaction times of the order of a few milliseconds.
  • the displacement of the atoms is, for a temperature of the order of 100 microKelvin, of the order of a few tenths of a millimeter, while it is of the order of 0.1 mm for a temperature of l 'order of 10 microKelvin.
  • This second embodiment of the atomic clock operates in the following manner. First, atoms are cooled by isotropic laser radiation for a few hundred milliseconds. Optionally, a repelling laser beam is directed towards the cell. In a second step, the isotropic laser radiation is cut and, optionally, the repompressor laser is left for a few more microseconds, to carry out the atomic preparation. Thirdly, the repomping laser is turned off and the microwave interrogation is implemented, according to one or the other of the two possibilities explained above in connection with FIGS. 9A and 9B (wave configuration stationary or traveling waves).
  • the microwave interaction can be either a single pulse of duration T, or two pulses of short duration ( ⁇ ⁇ T) and separated by a duration T.
  • the microwave interaction preferably takes place while all the laser beams are off: in fact, the slightest stray light can induce a shift in the clock frequency (this is the effect of light shift, or "light shift” in English).
  • the microwave radiation is cut, and the laser beam is directed towards the cell for the optical detection of the clock signal: this beam is maintained for a period of between 10 ⁇ s and 1 millisecond. During this excitation, fluorescence radiation is emitted, which is converted into a signal S transmitted to the servo electronics 82.
  • the operation of the system is the same as that described above in connection with the figure. 7.
  • the cooling lasers and, where appropriate, the repompressor laser are used again. It may be advantageous to keep the latter active during the fourth step, that is to say the detection step, because it makes it possible to avoid the trapping of atoms on a non-resonant level. It therefore makes it possible to obtain more photons emitted per atom, and therefore a more significant signal S.
  • This second embodiment in which the atoms undergo a microwave transition, then an optical interrogation, at the very place where they are cooled, has another particularity.
  • the first time that cooling is carried out that is to say when starting from atoms at room temperature, the time required for cooling is of the order of a few hundred milliseconds (about 200 milliseconds).
  • the cooling laser beam is then cut during the second, third and fourth stages, which in total take less than 5 milliseconds.
  • the cold atoms have almost no time to thermalize. Their number does not decrease much and, if a cooling phase takes place immediately after the detection of signal S, this does not last as long as the very first.
  • the duration of a cycle (that is to say the duration of the first, second, third and fourth stages) is of the order of a few tens of milliseconds, at more.
  • the clock does not work continuously, but almost continuously.
  • This configuration obviously has the great advantages of not having to generate a jet of cold atoms.
  • the invention has been described in the context of use with an atomic clock. Furthermore, atomic cooling at very low temperatures has other applications, since it is for example possible to produce atomic wave cavities similar to the Fabry-Perot cavities of optics.
  • a source of cold atoms finds direct application in the field of studying the properties of matter at very low temperatures. For all these applications, the source of cold atoms according to the present invention is extremely advantageous, since it makes it possible to cool all the atoms (of speed lower than the critical speed) contained in a cell of given volume. The number of cold atoms thus generated is much higher than the number of cold atoms generated by conventional techniques (three-dimensional molasses).
  • the device which has been described is not sensitive to the problem of alignment, temperature drift or magnetic field, and it only involves components of relatively modest cost (integrating sphere, glass cell , optical fiber, laser diode, extraction laser).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule (2) pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens (12) pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule. Elle s'applique en particulier aux horloges atomiques.

Description

CONFIGURATION DE REFROIDISSEMENT RADIATIF D'ATOMES NEUTRES A L'AIDE D'UN RAYONNEMENT ISOTROPE
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine du refroidissement radiatif d'atomes neutres. Cette technique présente des applications dans de nombreux domaines, notamment en interférométrie atomique et en métrologie des temps et fréquences. Plus précisément, dans ce dernier domaine, on peut citer l'application aux horloges atomiques, dans lesquelles l'utilisation d'atomes froids conduit à une amélioration exceptionnelle des performances, c'est-à-dire de la précision de la mesure.
Art antérieur
Une source d'atomes froids est décrite dans l'article de A. CLAIRON et al. paru dans Europhysics Letters, volume 16, n°2, pp. 165-170, 1991, intitulé "Ramsey Résonance in a Zacharias Fountain" . Cet article décrit une horloge atomique fonctionnant sur le principe d'une fontaine de Zacharias. Dans cet article, l'expérience décrite met en oeuvre un refroidissement des atomes dans la zone d'intersection de trois ondes stationnaires laser orthogonales. Cette configuration de refroidissement est représentée schématiquement sur la figure 1 sur laquelle sont représentés, suivant trois directions orthogonales x, y, z, trois faisceaux lasers 41, 42, 43 qui convergent vers une même zone d'interaction 44. . Pour chaque faisceau, une configuration d'ondes stationnaires est obtenue par interaction avec un faisceau 41-1, 42-1, 43-1 se propageant suivant la même direction, mais en sens opposé. Sur chacun des trois axes, l'alignement des deux faisceaux est très critique. Ainsi, on réalise en général le deuxième faisceau par réflexion du premier sur un miroir ou séparation et réflexion du premier sur plusieurs miroirs, non représentés sur la figure 1. Chaque faisceau a une fréquence égale à fg-Δf, où fg représente la fréquence de la transition résonnante des atomes à refroidir, et Δf un désaccord entre la fréquence de résonance de l'atome et la fréquence des faisceaux lasers, typiquement de l'ordre de quelques mégahertz. Le volume d'atomes froids obtenu, appelé "mélasse optique" est déterminé par la taille des faisceaux laser : les atomes n'appartenant pas à cette zone ne sont pas refroidis.
Après refroidissement, les atomes sont poussés dans une direction donnée à l'aide d'un des faisceaux lasers, par exemple suivant la direction z sur la figure 1. Deux des faisceaux lasers 43, 43-1 sont alors désaccordés respectivement aux fréquences fg-Δf-Δf et fg-Δf+Δf' . La différence de fréquence 2Δf' entre les deux faisceaux permet de lancer les atomes refroidis selon la direction z (zone grisée 45 sur la figure 1) . Ils sont alors disponibles pour une mesure, par exemple, dans une horloge atomique. Ils traversent alors une cavité où règne un champ micro-ondes (fréquence ≈9,19GHz, correspondant à l'écart entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium) . Le signal d'horloge est ensuite détecté en observant l'émission de lumière de fluorescence par les atomes qui ont effectué la transition d'horloge. Le nombre d'atomes que l'on peut refroidir est évidemment un paramètre critique, puisque ce nombre va conditionner l'intensité du signal de la mesure effectuée après refroidissement. Ce nombre est directement lié au volume de la zone de mélasse optique. Ce volume est en général limité car il est fixé expérimentalement par la taille des faisceaux lasers : les atomes n'appartenant pas à cette zone ne sont pas refroidis. Dans l'article cité ci-dessus, une mélasse d'un volume de 0,5cm3 est obtenue, contenant environ 7.106 atomes refroidis.
Par ailleurs, la solution consistant à utiliser des faisceaux lasers de plus grand diamètre (plusieurs centimètres) n'est pas satisfaisante car cette solution nécessite des rayonnements lasers intenses issus d'un laser de type titane-saphir de puissance optique supérieure à 1 Watt et de coût important.
Un autre problème posé par les sources d'atomes froids selon l'art antérieur est qu'elles mettent en oeuvre des alignements optiques très sensibles à toutes les perturbations extérieures : les faisceaux lasers sont réfléchis par des miroirs et le parfait alignement de tous les miroirs est nécessaire, tout désalignement (dû par exemple à des variations de température ambiante) entraînant un arrêt du fonctionnement de l'expérience.
Enfin, en ce qui concerne les horloges atomiques, le type d'horloge (étalon primaire) qui vient d'être décrit, bien que très précis, est très volumineux. Par ailleurs, il existe d'autres types d'horloge atomique, dans lesquels un jet thermique d'atomes de césium est utilisé. Mais ce type d'appareil est d'une part peu précis et d'autre part encore trop volumineux. Une réduction de volume des horloges atomiques commercialisées est nécessaire, et en particulier une réduction du volume de la source d'atomes utilisés, mais ceci sans perte de précision.
Exposé de l'invention La présente invention propose un procédé et un dispositif pour refroidir des atomes, permettant d'obtenir un nombre d'atomes refroidis plus importants qu'avec les appareils de l'art antérieur. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule.
Avec un tel dispositif, c'est un volume quelconque de la cellule qui baigne dans le rayonnement laser isotrope et, par conséquent, tous les atomes de ce volume sont susceptibles d'être refroidis. Ce volume n'est pas limité à l'intersection de trois faisceaux lasers, comme dans les techniques connues. En outre, le caractère isotrope du rayonnement laser permet d'accroître la vitesse de capture des atomes (c'est-à- dire la vitesse maximale des atomes pouvant être refroidis) ce qui permet de disposer d'une population encore plus grande d'atomes pouvant être refroidis : le refroidissement est plus efficace et ceci peut permettre de réaliser une source d'atomes froids et de faible volume, donc avantageusement utilisable dans une horloge atomique compacte.
Selon un mode particulier de réalisation, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans la cellule comportent un récipient opaque qui contient la cellule et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir une source de rayonnement laser.
Ce dispositif permet de générer à partir d'un faisceau laser de faible puissance, un rayonnement laser isotrope permettant de refroidir un nombre important d'atomes.
Chaque source de rayonnement laser peut être constituée de l'extrémité d'une fibre optique, l'ensemble des fibres étant couplé à des moyens pour générer un faisceau laser, par exemple une diode laser. On obtient ainsi un dispositif ne mettant en jeu que les composants de coût relativement modeste comparé aux lasers titane-saphir. Par ailleurs, ce dispositif n'est pas susceptible de se dérégler facilement, et il ne met en jeu aucun miroir dont l'alignement serait critique.
Le récipient opaque peut être de forme sphérique. De plus, les orifices qui y sont pratiqués pour recevoir des sources lasers peuvent être disposés de manière symétrique dans le récipient.
Selon un autre aspect, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope peuvent comporter un récipient opaque qui contient la cellule ainsi qu'une source laser, et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse.
L'efficacité du dispositif peut encore être améliorée en déposant un film sec sur la surface intérieure de la cellule destinée à contenir la vapeur d'atomes à refroidir.
Avec un tel film, le phénomène de collage d'un atome contre la paroi de la cellule, consécutif à une collision atome-paroi est limité dans le temps. Ainsi, lorsqu'un atome tape sur une paroi avec une vitesse supérieure à la vitesse de capture (c'est-à-dire supérieure à la vitesse maximale des atomes pouvant être refroidis) , il peut être réémis avec une vitesse inférieure à la vitesse de capture, et par conséquent être refroidi, et ceci avec une certaine probabilité : il y a donc redistribution des vitesses des atomes qui entrent en collision avec la paroi.
Ce film sec peut être constitué d'octadécyltrichlorosilane ou de tétracontane. Selon un autre aspect de l'invention, une zone d'ombre au rayonnement laser isotrope est formé, par exemple, par un dispositif permettant l'extraction d'atomes froids hors de la cellule.
Le dispositif comporte des moyens d'extraction des atomes refroidis de la cellule, ces moyens pouvant fonctionner de manière continue ou en impulsions dans le temps. Dans le cas d'un fonctionnement continu, des moyens de collimation du flux continu d'atomes peuvent être prévus. L'invention a également pour objet une horloge atomique qui comprend un dispositif de refroidissement d'atomes tel que décrit ci-dessus, une cavité micro¬ ondes, un dispositif de détection d'un signal d'horloge et des moyens d'asservissement de la fréquence dans la cavité micro-ondes.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, illustre un dispositif de refroidissement selon l'art antérieur,
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement d'atomes selon l'invention, - la figure 3 représente un diagramme des niveaux atomiques (et de leurs niveaux hyperfins) du césium,
- la figure 4 représente des distributions de vitesses d'atomes refroidis et d'atomes thermalisés,
- la figure 5 représente un dispositif de refroidissement d'atomes selon l'invention, avec système d'éjection d'atomes fonctionnant en continu,
- les figures 6A et 6B illustrent le principe d'un piège magnéto-optique à deux dimensions,
- la figure 7 représente schématiquement une horloge atomique dans laquelle est incorporé un dispositif de refroidissement selon la présente invention, - la figure 8 est un autre schéma d'horloge atomique incorporant un dispositif selon l'invention,
- les figures 9A et 9B représentent deux variantes de configuration micro-onde pour une horloge selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Un premier mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 2. Sur cette figure, la référence 2 désigne une cellule destinée à contenir une vapeur d'atomes à refroidir. Cette cellule est transparente au moins à la longueur d'onde du rayonnement laser qui permet le refroidissement des atomes. Sur la figure 2 cette cellule 2 est reliée à des moyens 4 pour y introduire une vapeur d'atomes à refroidir. Cette vapeur peut être produite par exemple par dépôt d'une certaine quantité d'un matériau 6 à évaporer en liaison avec des moyens 8 pour porter ce matériau à une certaine température. Par ailleurs, la cellule peut être reliée à des moyens 10 qui permettent le pompage, par exemple en combinaison avec une pompe ionique non représentée sur la figure.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les moyens pour transmettre un rayonnement isotrope sont essentiellement constitués par une sphère intégrante 12 dont la surface intérieure 14 permet une réflexion diffuse d'un rayonnement laser introduit dans la sphère. Plusieurs types de matériau peuvent être utilisés pour obtenir ce résultat. Le Spectralon permet de réaliser une sphère ayant des propriétés diffusantes dans la masse : ce matériau renvoie plus de 99% de la lumière incidente et est bien adapté en particulier pour des longueurs d'onde voisines de 850 nm. Une alternative peut consister à revêtir la surface intérieure 14 d'une couche d'un matériau diffusant, tel qu'une peinture par exemple à base de sulfate de baryum.
En fait, les moyens pour transmettre un rayonnement isotrope peuvent également être des moyens pour transformer un rayonnement laser en un rayonnement laser isotrope : c'est le cas de la sphère intégrante décrite ci-dessus, qui transforme, par réflexion diffuse, un rayonnement laser en rayonnement isotrope.
De tels moyens sont alors des moyens pour transformer un faisceau laser, en particulier un faisceau non isotrope, en faisceau laser isotrope et pour transmettre ce dernier à toute ou partie de la cellule. Il est également possible de disposer d'une part de moyens pour générer un faisceau laser isotrope (par exemple en transformant un faisceau laser non isotrope en faisceau isotrope) et d'autre part de moyens pour transmettre ce faisceau laser isotrope à la cellule.
Dans la sphère 12, un certain nombre d'orifices permettent d'introduire un rayonnement laser à l'intérieur de la sphère. Cette introduction peut être par exemple réalisée à l'aide de fibres optiques 16, 17, 18, ..., 23 reliées par exemple par l'intermédiaire de coupleurs optiques 24, 26 à une source laser 28. Dans ce cas, les fibres peuvent être avantageusement des fibres multimodes, chacune permettant, à son extrémité, d'injecter dans la cellule une partie du rayonnement laser. Cette injection a lieu de préférence non pas de manière directive, mais avec une certaine ouverture α, ce qui est plutôt favorable à la production d'un rayonnement isotrope dans la cellule 2.
Selon une variante, il serait possible de remplacer la source commune 28, les coupleurs 24, 26 et les fibres optiques 16, 17, .... 23 par des sources lasers telles que des diodes lasers directement incorporées dans des ouvertures pratiquées dans la sphère intégrante 12. Une telle configuration offre l'avantage d'une plus grande compacité par rapport à la configuration avec fibres optiques. Enfin, il est possible d'incorporer un laser
(du type diode laser) directement à l'intérieur de la sphère intégrante, le faisceau laser produit étant réfléchi et diffusé par les parois de la sphère et étant ainsi transformé en un faisceau laser isotrope. Dans le mode de réalisation de la figure 1, sont également prévus un laser 30 de repompage ainsi que des ouvertures 32, 34 pratiquées dans la sphère intégrante et qui permettent à un faisceau sonde 36 de traverser la cellule 2. Les fonctions du laser 30 et du faisceau sonde 36 sont précisées ci-dessous.
L'interaction physique rayonnement laser-atomes qui produit le refroidissement est connue et décrite dans la littérature, par exemple dans l'article de C. MONROE et al. intitulé "Very cold atoms in a Vapor Cell", Physical Review Letters, vol. 65, pp. 1571-1574, (1990) .
Tout type d'atome peut en principe être refroidi, mais la longueur d'onde du faisceau laser permettant le refroidissement doit pouvoir être accordée sur une transition atomique caractéristique des atomes en question. Des candidats particulièrement bien adaptés au refroidissement sont donc les alcalins (Na, Rb, Cs,...), les alcalino-terreux. Il est également envisageable de refroidir des gaz rares ou des atomes à noyaux radioactifs.
En fait, la fréquence du faisceau laser est choisie légèrement inférieure à la fréquence correspondant à cette transition atomique caractéristique, pour tenir compte de l'effet Doppler. Dans le cas d'une vapeur de césium, la transition choisie a lieu entre un des niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium (ô^s^' F=4, voir figure 3) et un niveau hyperfin (F'=5) de l'état excité 62p3/2 (voir figure 3), la longueur d'onde correspondant à cette transition étant sensiblement égale à 852 nm. Lorsqu'il est porté dans l'état excité 62p3/2, l'atome peut se désexciter, mais la transition correspondant à cette désexcitation doit respecter la règle de sélection ΔF=0, M Par conséquent, après désexcitation, l'atome peut uniquement se retrouver dans le niveau hyperfin F=4 de l'état fondamental. Cependant, puisque le laser refroidisseur est désaccordé légèrement en- dessous de la transition F=4-F'=5 (pour tenir compte de l'effet Doppler), la probabilité pour que l'atome passe du niveau hyperfin F=4 de l'état fondamental vers le niveau hyperfin F'=4 de l'état excité est faible mais non nulle. Une fois qu'il est dans ce niveau hyperfin F'=4, l'atome peut se désexciter vers l'un des niveaux F≈4 ou F=3 de l'état fondamental, du fait des règles de sélection. Dans le cas où l'atome retombe dans l'état F=3 il y reste piégé car le niveau F=3 n'est plus résonnant avec la transition laser à 852 nm (les deux niveaux hyperfins F=4 et F=3 de l'état fondamental sont séparés par une transition d'environ 9 GHz). Pour récupérer les atomes qui sont alors piégés dans le niveau hyperfin F=3 de l'état fondamental, on utilise le laser 30 de repompage. Ce laser est par exemple accordé sur la transition
Figure imgf000013_0001
F'=3, ce dernier niveau (F'=3) pouvant se désexciter au profit du niveau F=4 de l'état fondamental. L'atome est alors de nouveau prêt pour interagir avec le rayonnement à 852 nm. Le niveau hyperfin F=3 de l'état fondamental δ^Si/2 forme donc en quelque sorte un piège dans l'état fondamental et, si la structure de l'atome choisi présente un tel état piège, il est important d'effectuer un repompage pour le bon fonctionnement du système. A l'intérieur de la sphère 12, le rayonnement laser est distribué dans pratiquement tout l'espace, et il va subir un phénomène de diffusion sur la surface intérieure 14. Ce phénomène de diffusion n'est pas directif et permet de renvoyer le rayonnement laser dans différentes directions de l'espace. Il s'établit donc à l'intérieur de la sphère 12 un rayonnement laser isotrope dans lequel baigne la cellule 2 ainsi que la vapeur que cette dernière contient. Par conséquent, par rapport aux systèmes connus de l'art antérieur dans lesquels seuls sont ralentis les atomes qui se trouvent à l'intersection de trois faisceaux lasers établissant une configuration d'onde stationnaire, le refroidissement selon la présente invention présente au moins deux différences fondamentales : aucune configuration d'onde stationnaire directive n'est établie, et c'est un volume important (tout le volume de la cellule 2) qui est soumis au rayonnement refroidissant. En conséquence, un grand nombre d'atomes peut être refroidi, correspondant au nombre d'atomes contenus dans la cellule.
En fait, ce phénomène de refroidissement ne peut que concerner les atomes dont la vitesse se situe en-dessous d'une certaine vitesse critique Vc dite vitesse de capture. Cette limitation se retrouve dans tous les systèmes de refroidissement, y compris dans les systèmes de l'art antérieur mettant en jeu une mélasse Doppler conventionnelle. Dans ces derniers, la vitesse de capture est déterminée en comparant le désaccord par effet Doppler à la largeur naturelle de la raie atomique, et elle est de l'ordre de 5 m/s pour des faisceaux lasers de 1cm de diamètre environ. Un avantage de la présente invention est de permettre de pouvoir repousser cette vitesse de capture vers une valeur supérieure. Ceci est lié au caractère isotrope du rayonnement laser. En effet, dans le dispositif de refroidissement selon l'invention, pour tout atome de vitesse V situé en un endroit quelconque à l'intérieur de la cellule 2, il existe toujours un cône de lumière ayant pour axe la direction de la vitesse de l'atome dont la fréquence dans le référentiel lié à l'atome est égale à sa fréquence de résonance. Le demi-angle au sommet θ de ce cône de lumière résonnante est fixé par le décalage par effet Doppler de la fréquence laser vue dans le référentiel de l'atome. Si l'on appelle f la fréquence de résonance atomique, f]_ la fréquence laser et λ la longueur d'onde du rayonnement, on a la relation :
Figure imgf000014_0001
Si l'on a pris soin de choisir la fréquence fj_ du laser inférieure à la fréquence fg de la résonance atomique il est toujours possible de trouver un angle θ qui permet de satisfaire à la condition de résonance. Comme, par ailleurs, le rayonnement laser est isotrope, il existe, suivant la direction repérée par un angle θ par rapport à la vitesse de l'atome, une onde laser de fréquence fι_ qui permet donc de satisfaire à la condition de résonance.
Il faut noter, là encore, une différence fondamentale par rapport aux systèmes de refroidissement classiques, puisque dans ces derniers l'atome voit un rayonnement de fréquence constante provenant d'une direction fixée. Au contraire, dans la configuration de refroidissement en lumière isotrope, plus l'atome ralentit (v diminue) et plus l'ouverture du cône de lumière résonnante avec la transition atomique diminue pour que la condition de résonance ci- dessus soit toujours vérifiée (l'angle θ diminue). Par contre, lorsque v augmente l'angle θ devient plus large. On a donc un phénomène d'auto-adaptation qui permet d'obtenir un refroidissement plus efficace puisqu'un atome subit un rayonnement refroidissant quelle que soit sa vitesse dans la cellule. La vitesse de capture, telle qu'elle a été définie ci-dessus, est donc plus élevée, c'est-à-dire qu'il est possible de refroidir de manière efficace des atomes ayant des vitesses telles qu'ils n'auraient pas été refroidis dans une mélasse conventionnelle à trois dimensions. Par conséquent, par rapport aux dispositifs de refroidissement classiques, le nombre d'atomes pouvant être refroidis est accru non seulement du fait du volume plus important, ainsi qu'on l'a déjà expliqué plus haut, mais aussi du fait que toute une population d'atomes ayant une vitesse supérieure à la vitesse de capture "classique" (c'est-à-dire la vitesse de capture qu'il était possible d'obtenir avec les dispositifs de l'art antérieur) est maintenant disponible pour le refroidissement. Ceci est d'autant plus important que le nombre N d'atomes ralentis est proportionnel à la puissance 4 de la vitesse de capture. En fait, il est actuellement possible d'estimer que la distance nécessaire pour arrêter un atome de vitesse initiale fixée v est au moins 4 fois plus faible dans la configuration proposée que dans une configuration conventionnelle de refroidissement. C'est ce qui permet de réaliser une source d'atomes froids produisant un grand nombre d'atomes dans un faible volume (densité d'environ lO^cm-^, soit au moins 3x10^ atomes refroidis dans une sphère de 4cm de diamètre pour une puissance injectée de 30mW) et donc particulièrement bien adaptée à une utilisation dans une horloge atomique compacte.
Selon un mode particulier de réalisation, les parois de la cellule 2 peuvent être dépolies à l'extérieur (par sablage) et/ou à l'intérieur (par attaque acide) et ceci afin d'éviter toute réflexion spéculaire sur les parois.
Selon un autre aspect de l'invention, il est possible de recouvrir la paroi intérieur de la cellule 2 d'un "film sec" qui permet, lors d'une collision d'un atome contenu dans la cellule avec la paroi intérieure de cette cellule, d'éviter que l'atome ne reste collé à la paroi trop longtemps. De tels films sont décrits dans l'article de M. Stephens et al., Physical Review Letters, volume 72, pp. 3787-3790 (1994) . Un film constitué d' octadécyltrichlorosilane (OTS) est particulièrement bien adapté. Un film constitué de tétracontane peut également convenir. Pratiquement, le dépôt de ce genre de produit (qui est liquide) est relativement simple. Après une étape de dépôt d'une fine couche de produit à l'intérieur de la cellule, le dépôt est séché, et est ensuite testé en introduisant une petite goutte d'eau à l'intérieur de la cellule. La goutte ne soit pas s'accrocher à la paroi comme elle le fait sur une paroi non pourvue d'un dépôt. Ce test est qualitatif mais est efficace.
L'effet physique obtenu avec ce type de film est très intéressant, puisqu'il permet également de résoudre partiellement le problème de la limite que constitue la vitesse de capture. Lorsqu'un atome tape sur la paroi de la cellule, il colle un certain temps sur la paroi et il est réémis avec une vitesse donnée par la distribution de vitesses à la température de la cellule, c'est-à-dire en général la température ambiante (phénomène de thermalisation) . Sur la figure 4, la courbe en trait plein représente la distribution de vitesses des atomes dans la cellule, après refroidissement. Cette distribution comporte un pic proche de V=0 et une partie qui correspond aux atomes qui n'ont pas pu être refroidis puisque leur vitesse est supérieure à la vitesse de capture Vc. La courbe en trait interrompu représente la distribution de vitesse des atomes thermalisés, après interaction avec la paroi. Il apparaît clairement qu'une partie de cette dernière distribution est située en-dessous de la vitesse de capture Vc. Par conséquent, l'effet de thermalisation dû à la paroi permet de redistribuer des atomes "chauds" (V>VC) dans une classe de vitesse
(V<VC) dans laquelle ils peuvent être refroidis.
Cependant, ce phénomène ne fonctionne bien, et c'est là tout l'intérêt de la présence d'un film sec, que si le collage d'un atome sur la paroi, consécutif à la collision atome-paroi, ne dure pas trop longtemps. Or, la présence du film sec permet justement d'éviter une durée trop importante de collage. L'effet de thermalisation peut alors être efficace, et il s'ensuit un accroissement de la population d'atomes pouvant être refroidis.
Pratiquement, un dispositif de refroidissement d'atomes tel que celui illustré sur la figure 1 a été réalisé, avec une cellule 2 en verre de diamètre 4cm centrée dans une sphère intégrante 12 en matériau Spectralon (téflon très pur) , de diamètre 8cm, 14 fibres optiques débouchaient dans la sphère, ce qui correspond à des fibres disposées suivant des longitudes et des latitudes de la sphère espacées de 60°. Ce nombre est par ailleurs compatible avec les coupleurs fibres à une entrée et à 16 sorties disponibles commercialement. La source laser 28 choisie était une source laser à semi-conducteur (puissance de l'ordre de 100 mW) et de haute pureté spectrale
(largeur de raie inférieure à 100 kHz) . Du fait des pertes intervenant aux différentes interfaces optiques
(fibres, coupleurs) seule une puissance optique de 30 mW répartie sur les 14 fibres était injectée dans la sphère intégrante 12. La cellule 2 était préalablement pompée pour y établir un vide de 10~10 torr et la vapeur introduite était une vapeur de césium, à pression d'environ 10~9 torr. Dans de telles conditions, il a été possible d'obtenir un gaz refroidi à une température au plus de l'ordre de 120μK, avec une densité d'atomes refroidis de l'ordre d'environ 108cm~3.
Dans le cas du césium, la population d'atomes refroidis était sondée à l'aide d'un faisceau sonde 36 (voir figure 1) permettant de mettre en évidence l'affinement d'une raie d'absorption linéaire à 852 nm (raie D2 du césium) , cet affinement étant la marque du refroidissement. En fait, la largeur de raie obtenue est égale à 5 MHz, c'est-à-dire à la largeur naturelle de la raie à 852 nm du césium. Cette largeur correspond à une température de 40 mK, mais la température réelle des atomes refroidis est, comme on l'a dit ci-dessus, au plus de l'ordre 120 μK. Par conséquent, le faisceau sonde peut permettre de déterminer la densité d'atomes refroidis, mais pas leur température exacte. En fait pour un dispositif courant de refroidissement d'atomes, l'utilisation d'un faisceau sonde n'est absolument pas nécessaire et on remplace le faisceau sonde par un faisceau laser ou un dispositif permettant d'éjecter les atomes refroidis en dehors de la cellule, par exemple dans la direction z. La technique d'éjection des atomes sera décrite plus loin.
Par ailleurs, la configuration décrite ci- dessus (cellule 2 sphérique, sphère 12 sphérique, source laser disposée symétriquement sur la sphère 12) permet d'obtenir un rayonnement isotrope optimal. Néanmoins, une configuration de rayonnement isotrope peut être obtenue avec un nombre plus faible de sources lasers, par exemple en n'utilisant que les deux fibres 18, 22 (voir figure 1) disposées symétriquement. Il est également possible d'obtenir un rayonnement laser isotrope à l'intérieur de la sphère en n'utilisant qu'une seule source dans un seul orifice pratiqué dans la sphère.
De même, la forme sphérique, si elle permet d'obtenir une configuration de rayonnement optimale, peut être remplacée par diverses autres formes (par exemple, une forme ellipsoïdale) . Ainsi, la sphère intégrante 12 peut être remplacée en général par un récipient opaque qui contient la cellule 2 et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir au moins une source de rayonnement laser. De même, la cellule 2 n'est pas limitée à une cellule de forme sphérique.
Il est également possible de ne plonger qu'une partie de la cellule 2 dans le rayonnement isotrope, par exemple en ne laissant qu'une partie de cette cellule transparente au rayonnement ralentisseur, l'autre partie étant une zone dite zone d'ombre. Le refroidissement n'a alors lieu que pour les atomes qui baignent dans ce rayonnement. Cette configuration permet elle aussi, malgré la présence d'une zone d'ombre, d'obtenir un nombre d'atomes refroidis supérieur à celui de l'art antérieur et de bénéficier de l'effet (déjà décrit ci-dessus) permettant de repousser la vitesse critique à une valeur supérieure. Le dispositif selon l'invention est tel qu'aucun problème de désalignement de composants optiques ne peut se présenter, au contraire des dispositifs de l'art antérieur qui mettent en jeu des alignements précis de miroirs. De plus, ce dispositif est insensible à des variations de la température ambiante (il n'est pas nécessaire de refroidir la paroi de la cellule 2), ainsi qu'à des variations du champ magnétique extérieur. Dans les dispositifs selon l'art antérieur, la sensibilité à toute variation de température et/ou de champ magnétique extérieur était au contraire très importante. De plus, les composants optiques sont simples : les sources lasers mises en jeu sont des sources de faible taille et de faible coût : une diode laser de 100 mW est suffisante pour générer un rayonnement laser isotrope dans une sphère intégrante. Par ailleurs, il est possible d'estimer que seulement environ 30 mW de la puissance issue de cette source laser sont distribués dans la sphère intégrante, ce qui signifie qu'une puissance de 30 mW est suffisante pour obtenir un. refroidissement efficace dans cette sphère.
Les atomes peuvent être éjectés de la cellule d'où ils ont été refroidis, le procédé et le dispositif pour l'éjection dépendant du mode de fonctionnement
(puisé ou continu) que l'utilisateur souhaite mettre en oeuvre.
Pour un fonctionnement en mode puisé, le dispositif pour éjecter les atomes correspond en fait à celui décrit sur la figure 2. Il suffit de remplacer le faisceau sonde 36 par un faisceau désigné sur cette même figure 2 par la référence 46 et symbolisé par une flèche en trait interrompu, ce faisceau laser ayant une fréquence fg-Δf+Δf (fg-Δf est la fréquence du faisceau laser injecté dans la cellule sous forme de faisceau isotrope destiné à refroidir les atomes ; Δf est relié à la vitesse de lancement des atomes, vj_, par la relation : vι~λ-Δf , λ étant la longueur d'onde du laser, λ=852nm) . Simultanément, un faisceau laser 48 est dirigé en sens contraire du faisceau 46, vers l'intérieur de la cellule. Ce deuxième faisceau possède une fréquence fg-Δf-Δf, Δf' ayant été défini ci- dessus. Ces deux faisceaux 46, 48 créent une configuration d'ondes stationnaires qui permet de donner aux atomes refroidis une certaine vitesse suivant la direction z (voir figure 2) , tout en continuant à les refroidir suivant cette même direction. Les décalages en fréquence Δf et Δf peuvent être facilement obtenus à l'aide de cristaux acousto- optiques qui permettent de moduler la fréquence d'un faisceau laser. Dans une telle configuration, après refroidissement des atomes à l'aide du faisceau laser isotrope à l'intérieur de la cellule 2, ces derniers sont éjectés en impulsion, les impulsions de faisceaux lasers 46, 48 ayant une durée de l'ordre de quelques millisecondes pour des vitesses d'éjection des atomes de l'ordre de quelques mètres/seconde.
La sortie de la cellule et la zone dans laquelle le faisceau d'atomes se déplace sont maintenues dans des conditions d'ultravide à l'aide de moyens de pompage non représentés sur la figure 2.
Il est également possible d'extraire les atomes de la cellule avec un seul faisceau laser fonctionnant en impulsion : le faisceau 46 (à la fréquence fg-Δf) . Cette configuration est plus simple que la précédente (elle ne nécessite pas un deuxième faisceau laser 48) mais elle induit un réchauffement progressif des atomes qui sont éjectés.
Une autre configuration d'éjection, pour un mode de fonctionnement en continu, va être décrit en liaison avec la figure 5. Sur cette figure, les références 52 et 54 désignent respectivement la cellule en matériau transparent qui contient les atomes à refroidir et une sphère intégrante. Les éléments permettant de créer un faisceau laser, qui est ensuite transformé par la sphère en faisceau laser isotrope, ne sont pas représentés en détail sur cette figure. Un faisceau laser 56, de fréquence fg-Δf+Δf (les notations sont les mêmes que dans le paragraphe précédent) entre dans la sphère 54 puis dans la cellule 52 par la partie gauche de la figure 5, tandis qu'un faisceau laser 58 de fréquence fg-Δf-Δf entre dans la cellule 52 et dans la sphère 54 par l'intermédiaire de deux orifices 60, 62 pratiqués respectivement dans la sphère et dans la cellule. Les faisceaux 56, 58 sont émis de façon continue dans le temps, si bien qu'il est extrait de la cellule 52 un flux continu d'atomes refroidis, qui se déplacent à une vitesse déterminée par Δf' . Ainsi qu'illustré sur la figure 5, un diaphragme 64 en forme de cylindre est introduit par les orifices 60, 62. Ce diaphragme ou cylindre déborde vers l'intérieur de la cellule 52. Du fait de ce débordement, les atomes de la cellule 52, qui se trouvent à l'intérieur du cylindre 64, ne sont pas soumis au rayonnement laser isotrope refroidisseur. Une zone d'ombre est ainsi créée à l'intérieur du volume de la cellule 52, zone qui échappe au rayonnement laser isotrope. Après refroidissement, une partie des atomes refroidis diffuse peu à peu vers l'intérieur du cylindre 64. Arrivés dans le cylindre les atomes ne sont plus soumis qu'aux faisceaux lasers 56, 58, qui vont leur communiquer une certaine vitesse déterminée de la façon déjà indiquée ci-dessus (v=2Δf'/k). De cette façon, une fois refroidi, l'atome échappe au rayonnement de refroidissement et peut être emmené par les faisceaux lasers 56, 58, de manière efficace. En l'absence de zone d'ombre, telle que celle créée par le cylindre 64, il se produirait, sur le trajet des faisceaux 56 et 58, une "compétition" entre ces faisceaux lasers et le rayonnement laser isotrope, les premiers ayant tendance à emmener l'atome en lui communiquant une certaine vitesse, tandis que le second a tendance à le freiner. En outre, si le cylindre 64 est constitué de graphite, il a alors également pour fonction d'empêcher les atomes "chauds" (notamment les atomes dont la vitesse est supérieure à la vitesse critique, et qui ont donc une faible probabilité d'être freinés par le rayonnement isotrope) d'être emmenés également par les faisceaux 56, 58. Ceci tient à la nature du graphite, qui permet d'adsorber les atomes "chauds" (en fait, le graphite adsorbe tous les atomes de césium qui entrent en collision avec ce matériau ; toutefois, les atomes froids ont une faible probabilité d'entrer en collision avec le graphite et ce sont principalement les atomes chauds qui sont adsorbés) . Il est clair que la forme du diaphragme 64 peut être différente de celle d'un cylindre : ce peut être par exemple une forme conique, l'essentiel étant que cette forme puisse remplir sa fonction qui est de créer une zone d'ombre à l'intérieur de la cellule 52 pour le rayonnement laser isotrope.
Des moyens de pompage sont prévus (non représentés sur la figure) pour maintenir des conditions d'ultravide sur le trajet du faisceau d'atomes.
On peut ainsi produire un faisceau d'atomes froids qui se déplacent à la vitesse v vers une zone d'utilisation extérieure à la zone de refroidissement. Cependant, le procédé d'extraction continu des atomes qui vient d'être décrit, encore appelé technique de la mélasse mouvante à une dimension, peut présenter un problème, dans la mesure où les atomes ainsi extraits peuvent avoir tendance à diffuser dans un plan perpendiculaire à la direction des faisceaux 56, 58. Ceci est dû au fait que les faisceaux 56, 58 permettent non seulement d'extraire les atomes avec une certaine vitesse, mais également continuent à refroidir les atomes suivant une dimension pendant l'extraction. Le processus de refroidissement est toujours le même : il consiste, pour chaque atome, en une succession d'absorption du rayonnement laser, puis d'émission (fluorescence) . Or, si les faisceaux lasers ont un caractère directif, l'émission garde son caractère isotrope, et elle a lieu en particulier dans les directions perpendiculaires à celles des faisceaux 56, 58.
Afin de compenser cet effet de diffusion, . il peut être intéressant d'avoir recours à un piège magnéto-optique à deux dimensions, en sortie de la sphère intégrante 54. Le principe de ce piégeage va être brièvement rappelé en liaison avec les figures 6A et 6B. Si l'on appelle z la direction suivant laquelle les atomes sont éjectés par les faisceaux 56, 58, et x, y deux directions perpendiculaires dans un plan perpendiculaire à z, on établit, suivant l'axe x, (respectivement y), deux faisceaux lasers 70, 72, (respectivement 66, 68) , se propageant en sens contraire l'un de l'autre, et se rencontrant dans la zone de passage du flux d'atomes éjectés hors du dispositif de refroidissement. Cette zone est désignée par la référence 74 sur la figure 6A. Les deux faisceaux se propageant suivant chaque axe x, y sont polarisés circulairement en sens contraire l'un de l'autre. Ainsi, le faisceau 70 a une polarisation circulaire négative (σ~) suivant l'axe des x, tandis que le faisceau 72 a une polarisation circulaire positive (σ+) ; il en va de même pour les faisceaux 66
(σ+) et 68 (σ~) . Par ailleurs, un champ magnétique inhomogène est créé dans la même zone. Ce champ est tel que sa composante suivant l'axe z est quasi-nulle et ses composantes suivant les axes x et y s'annulent sur l'axe z et changent de signe de part et d'autre de cet axe. Les valeurs de ces composantes Bx et By sont représentées schématiquement sur la figure 6A, en fonction de x et y.
Des moyens pour produire un tel champ sont illustrés sur la figure 6B, où sont représentées trois paires de bobines (81, 83), (85, 87), (89, 91) montées en position anti-Helmholz, centrées sur les axes x et y. Toutes les bobines sont parcourues par un même courant I, dans le sens indiqué sur la figure 6B pour chaque bobine. Les bobines 89 et 91 ont un nombre de spires double des autres bobines (par exemple 16 spires pour les bobines 89, 91 et 8 spires pour les autres) . Pour chaque paire de bobines (89, 91), (85, 87), (81, 83) , la distance entre les deux bobines est approximativement égale au rayon de ces bobines. Ainsi, pour la configuration suivante :
- bobines 85, 91 de rayon 24,4mm, séparées de 25mm, - bobines 81, 87 de rayon 27,4mm, séparées de 25mm,
- bobines 85, 87 de rayon 22,8mm, séparées de 25mm, on obtient un gradient de 5G/cm pour un courant I~1A.
L'action combinée des faisceaux lasers polarisés et du champ magnétique inhomogène permet de créer une force de rappel qui tant à confiner les atomes sur l'axe z. Cette force de rappel n'agit pas suivant la direction z puisque le champ magnétique est nul suivant cet axe. De cette façon, on réalise un flux continu d'atomes froids bien collimatés.
Le dispositif qui vient d'être décrit, ainsi que toutes ses variantes, est particulièrement bien adapté pour être mis en oeuvre dans une horloge atomique, ainsi qu'illustré sur la figure 7. Sur cette figure, la référence 76 désigne une source d'atomes froids conforme à la présente invention, telle qu'elle vient d'être décrite, et fonctionnant en mode puisé ou continu. Le faisceau 77 d'atomes froids extraits de cette source (atomes de césium) passe ensuite dans une cavité micro-onde 78, de forme préférentiellement cylindrique. Il règne à l'intérieur de cette cavité un champ micro-onde à la fréquence de 9,192GHz, qui correspond à la fréquence de transition entre les sous- niveaux Zeeman F=3,mp=0 et F=4,mp=0 de l'état fondamental 6^S /2 de l'atome ce césium. Ainsi les atomes, au départ dans le sous-niveau F=3, sont portés dans le sous-niveau F=4. Le faisceau est ensuite dirigé vers un dispositif 80 de détection du signal d'horloge. Dans ce dispositif, un faisceau laser est dirigé vers le faisceau d'atomes de césium, à une fréquence correspondant à la transition 62S1/2/ F=4→62P3/2, F'=5 de l'atome de césium. Les atomes ainsi portés dans le sous-niveau F'=5 de l'état excité se désexcitent en émettant un rayonnement de fluorescence qui est détecté et qui est converti en un signal S transmis à une électronique d'asservissement 82. En fait, ce signal S permet d'établir si la fréquence de la cavité micro¬ onde est bien ajustée à la fréquence de transition entre les deux sous-niveaux Zeeman F=3,mp=0-F=4,mp=0 de l'état fondamental. Lorsque l'accord de cette fréquence est parfait, le signal de fluorescence est maximum. Au contraire, lorsque le signal S est croissant ou décroissant, l'électronique d'asservissement envoie un signal de correction de fréquence à un oscillateur à quartz 84 qui commande lui-même un dispositif 86 de synthèse de fréquence. Lorsque l'asservissement 82 est en opération, une sortie 88 permet de recueillir une fréquence étalonnée sur la fréquence de transition entre les deux sous-niveaux Zeeman F=3,mp=0-F=4,mp=0 de l'état fondamental de l'atome de césium.
L'électronique d'asservissement 82, l'oscillateur à quartz 84, et le dispositif de synthèse de fréquence 86 sont plus précisément décrits dans l'ouvrage de J. VANIER et al-, intitulé "The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards", vol. 1, édité par Adam HILGER, Bristol and Philadelphie, 1989, chapitre 5, § 5.4 (pages 708 à 751) .
Plusieurs configurations de cavités cylindriques 78 peuvent être envisagées : cavité à un mode (mode TEg^) ou cavité à N-modes (mode TEg1N) .
Le dispositif décrit ci-dessus, ainsi que toutes ses variantes, est également bien adapté pour être mis en oeuvre dans une horloge atomique telle que celle illustrée sur la figure 8. Sur cette figure, les éléments 82, 84, 86, 88 désignent des éléments identiques à ceux décrits ci-dessus en liaison avec la figure 7. La différence, par rapport à la première horloge décrite ci-dessus, réside en ce que les atomes froids ne sont pas extraits de la cellule dans laquelle ils sont refroidis. Cette configuration a par conséquent le gros avantage de ne pas avoir à générer un jet d'atomes refroidi, et elle permet donc d'obtenir des horloges nettement plus compactes, à performance égale.
De manière plus précise, cette horloge comporte par exemple une cellule telle que celle décrite ci- dessus en liaison avec la figure 2. Un rayonnement laser isotrope permet de refroidir les atomes contenus dans la cellule, de la manière décrite ci-dessus. Des moyens sont prévus pour introduire en outre, dans la cellule, un faisceau laser additionnel pour la détection du signal d'horloge. Sur la figure 2, ces moyens sont désignés par les références 32 et 34. En outre, les mêmes moyens permettent d'introduire éventuellement un faisceau de repompage, ayant la fonction déjà décrite ci-dessus en liaison avec la figure 3.
Dans ce mode de réalisation, des moyens sont prévus pour engendrer un rayonnement micro-onde et le diriger vers la cellule dans laquelle les atomes ont été refroidis. Par conséquent, le refroidissement, l'excitation micro-onde et l'interrogation optique ont lieu dans la même cellule. L'ensemble constitué par la cellule et ses moyens de refroidissement, les moyens pour engendrer et diriger un rayonnement micro-onde dans la cellule, et les moyens d'interrogation optique, est désigné globalement sur la figure 8 par la référence 93. En ce qui concerne les moyens pour engendrer et diriger un rayonnement micro-onde dans la cellule, deux variantes peuvent être envisagées, qui sont représentées sché atiquement sur les figures 9A et 9B. Sur ces figures, la référence 94 désigne la cellule contenant les atomes refroidis. Les moyens pour introduire les divers rayonnements laser ne sont pas représentés. Dans la variante de la figure 9A, la cellule 94 est située à l'intérieur d'une cavité résonnante 96, par exemple une cavité sphérique ou cylindrique. La cavité est résonante à la fréquence de la transition d'horloge. Ainsi, une onde stationnaire micro-onde est engendrée dans la cellule 94. Dans la variante illustrée sur la figure 9B, un cornet hyperféquence, comportant une source micro-onde 98 et des moyens 100 pour diriger les micro-ondes engendrées vers la cellule 94, est positionné de manière à diriger les micro-ondes engendrées vers la cellule 94. On obtient ainsi une structure d'onde progressive à l'intérieur de cette dernière. Si l'on compare ces deux variantes, la première (du type "onde stationnaire") permet d'éliminer à coup sûr l'effet Doppler du premier ordre, qui déplace la fréquence de l'horloge. Mais elle nécessite la mise en place d'une cavité 96. Par contre, la seconde variante (du type "onde progressive") est très simple mais, si l'on ne veut pas être gêné par l'effet Doppler du premier ordre, il faut que le déplacement des atomes pendant Ma durée d'interaction se fasse sur une longueur très petite devant la longueur d'onde du rayonnement micro-onde. Ceci est possible puisque, si la fréquence micro-onde est de l'ordre de 9,2 Gigahertz, la longueur d'onde du rayonnement micro-onde est de l'ordre de 3 cm. Or, des largeurs de raie de l'ordre de quelques centaines de hertz correspondent à des durées d'interaction de l'ordre de quelques millisecondes. Pendant ce temps, le déplacement des atomes est, pour une température de l'ordre de 100 microKelvin, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, tandis qu'il est de l'ordre de 0,1 mm pour une température de l'ordre de 10 microKelvin. Ces deux déplacements restent bien petits devant la longueur d'onde du rayonnement micro¬ onde et, par conséquent, il est possible de réaliser une structure telle que celle de la figure 9B (à onde progressive) sans être gêné par l'effet Doppler du premier ordre.
Ce second mode de réalisation de l'horloge atomique, selon la figure 8, fonctionne de la manière suivante. Dans un premier temps, il y a refroidissement des atomes par le rayonnement laser isotrope, pendant quelques centaines de millisecondes. Eventuellement, un faisceau laser repompeur est dirigé vers la cellule. Dans un deuxième temps, on coupe le rayonnement laser isotrope et, éventuellement, on laisse le laser repompeur quelques microsecondes de plus, pour effectuer la préparation atomique. Dans un troisième temps, on éteint le laser repompeur et l'interrogation micro-onde est mise en oeuvre, selon l'une ou l'autre des deux possibilités expliquées ci-dessus en liaison avec les figures 9A et 9B (configuration d'ondes stationnaires ou d'ondes progressives) .
L'interaction micro-onde peut être soit une impulsion unique de durée T, soit deux impulsions de courte durée (τ<T) et séparées par une durée T. De plus, l'interaction micro-onde a lieu de préférence alors que tous les faisceaux laser sont éteints : en effet, la moindre lumière parasite peut induire un déplacement de la fréquence de l'horloge (c'est l'effet de déplacement lumineux, ou "light shift" en anglais) . Dans une quatrième étape le rayonnement micro¬ onde est coupé, et on dirige vers la cellule le faisceau laser pour la détection optique du signal d'horloge : ce faisceau est maintenu pendant une durée comprise entre 10 μs et 1 milliseconde. Au cours de cette excitation, un rayonnement de fluorescence est émis, qui est converti en un signal S transmis à l'électronique d'asservissement 82. Puis, le fonctionnement du système est le même que celui décrit ci-dessus en liaison avec la figure 7. Après extinction du faisceau laser pour la détection du signal d'horloge, on met une nouvelle fois en oeuvre les lasers de refroidissement et, éventuellement, le laser repompeur. Il peut être intéressant de maintenir ce dernier actif pendant la quatrième étape, c'est-à-dire l'étape de détection, car il permet d'éviter le piégeage des atomes sur un niveau non résonant. Il permet par conséquent d'obtenir plus de photons émis par atome, et donc un signal S plus important. Ce second mode de réalisation, dans lequel les atomes subissent une transition micro-onde, puis une interrogation optique, à l'endroit même où ils sont refroidis, présente une autre particularité. La première fois où le refroidissement est effectué, c'est-à-dire lorsqu'on part d'atomes à température ambiante, la durée requise pour le refroidissement est de l'ordre de quelques centaines de millisecondes (environ 200 millisecondes) . Toutefois, le faisceau laser de refroidissement est ensuite coupé pendant les deuxième, troisième et quatrième étapes, qui durent au total moins de 5 millisecondes. Pendant cette durée, les atomes froids n'ont quasiment pas le temps de se thermaliser. Leur nombre ne décroît pas beaucoup et, si une phase de refroidissement a lieu juste après la détection du signal S, celle-ci ne dure pas aussi longtemps que la toute première.
Quelle que soit la variante envisagée dans ce mode de réalisation, la durée d'un cycle (c'est-à-dire la durée des première, deuxième, troisième et quatrième étapes) est de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes, au plus. L'horloge ne fonctionne pas de manière continue, mais de manière quasi-continue.
Cette configuration présente évidemment le gros avantages de ne pas avoir à générer un jet d'atomes froids.
L'invention a été décrite dans le cadre d'une utilisation avec une horloge atomique. Par ailleurs, les refroidissements d'atomes à très basse température possèdent d'autres applications, puisqu'il est par exemple possible de réaliser des cavités à ondes atomiques analogues aux cavités Fabry-Pérot de l'optique. En outre, une source d'atomes froids trouve une application directe dans le domaine de l'étude des propriétés de la matière à très basse température. Pour toutes ces applications, la source d'atomes froids selon la présente invention est extrêmement intéressante, puisqu'elle permet de refroidir tous les atomes (de vitesse inférieure à la vitesse critique) contenus dans une cellule de volume donné. Le nombre d'atomes froids ainsi engendrés est nettement supérieur au nombre d'atomes froids engendrés par des techniques conventionnelles (mélasse à trois dimensions) . En outre, le dispositif qui a été décrit n'est pas sensible au problème d'alignement, de dérive de la température ou du champ magnétique, et il ne met en jeu que des composants de coût relativement modeste (sphère intégrante, cellule en verre, fibre optique, diode laser, laser d'extraction).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule (2) pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens (12) pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule.
2. Dispositif selon la revendication 1, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope comportant un récipient opaque qui contient la cellule
(2) et dont la surface intérieure (14) présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir une source de rayonnement laser.
3. Dispositif selon la revendication 2, chaque source de rayonnement laser étant constituée par l'extrémité d'une fibre optique (16, 17, ..., 23), l'ensemble des fibres étant couplé à des moyens (28) pour générer un faisceau laser.
4. Dispositif selon la revendication 2, le récipient opaque étant de forme sphérique.
5. Dispositif selon la revendication 4, les orifices étant disposés de manière symétrique dans la sphère.
6. Dispositif selon la revendication 1, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope comportant un récipient opaque qui contient la cellule
(2) ainsi qu'une source laser, et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse..
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, la surface intérieure de la cellule (2) étant recouverte d'un film sec.
8. Dispositif selon la revendication 7, le film sec étant constitué d'octadécyltrichlorosilane ou de tétracontane.
9. Dispositif selon l'une des revendication précédentes, comportant une zone d'ombre au rayonnement laser isotrope.
10. Dispositif selon la revendication 9, la zone d'ombre étant formée par un dispositif (64) permettant d'extraction des atomes froids hors de la cellule.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens (47, 48, 56, 58, 64) pour extraire les atomes refroidis de la cellule.
12. Dispositif selon la revendication 11, les moyens d'extraction des atomes fonctionnant de manière continue dans le temps.
13. Dispositif selon la revendication 12, comportant en outre des moyens (66, 68, 70, 72) pour collimater un flux continu d'atomes froids extraits de la cellule.
14. Dispositif selon la revendication 11, fonctionnant en impulsions dans le temps.
15. Horloge atomique comportant un dispositif (76) de refroidissement d'atome selon une des revendications 11 à 14, une cavité micro-ondes (78), et un dispositif (80) de détection de signal d'horloge.
16. Horloge atomique comportant un dispositif de refroidissement d'atomes selon une des revendications 1 à 9, des moyens pour engendrer un rayonnement micro-onde dans la cellule contenant la vapeur d'atomes refroidis, et dans laquelle les atomes sont refroidis, et un dispositif de détection de signal d'horloge.
17. Horloge atomique selon la revendication 16, les moyens pour engendrer un rayonnement micro-onde comportant une cavité résonante contenant la cellule.
18. Horloge atomique selon la revendication 16, les moyens pour engendrer un rayonnement micro-onde comportant un cornet hyperfréquence disposé de manière à émettre un rayonnement micro-onde vers la cellule.
19. Horloge atomique selon l'une des revendications 15 à 18, comportant en outre des moyens (82, 84, 86) d'asservissement de la fréquence dans la cavité micro-onde.
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