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Piège double : performances métrologiques poussées pour la navigation.

par Elodie PICO - publié le

Directeur de thèse : Martina Knoop
Coordonnées : martina.knoop univ-amu.fr, Tel 04.91.28.80.26
Co-encadrant : Caroline Champenois, caroline.champenois@univ-

Description du sujet :
Les expériences de l’équipe CIML autour des ions confinés dans des pièges radiofréquences permettent la manipulation et le contrôle de tous les degrés de liberté internes et externes des atomes piégés. Ces expériences trouvent des applications en information quantique, en physicochimie des molécules froides et dans la métrologie des fréquences.

Les horloges micro-onde embarquables à ions Hg+ ont démontré une stabilité relative à une seconde de quelques 10-13, atteignant des fluctuations de l’ordre de 10-15 sur un jour [1], et les limites potentielles ne sont pas encore atteintes [2]. Ces performances peuvent être réalisées dans un montage physique de volume d’un litre ne nécessitant pas de laser. La robustesse de ce dispositif, alliée aux performances de stabilité de fréquence qu’il permet, sont à l’origine du prototype en cours de développement au Jet Propulsion Laboratory (NASA) afin de servir d’oscillateur maître dans le Deep Space Network. Ce prototype devrait être mis en orbite terrestre en 2015 pour au moins un an, le temps de faire ses preuves pour la navigation lointaine.

Nos travaux portent sur des phénomènes fondamentaux dans l’amélioration des
performances des étalons de fréquence dans les domaines optiques et micro-onde. Pour cette dernière application (développée en partenariat avec le CNES) nous avons construit un piège à ions en deux parties de géométrie différente afin d’étudier l’influence du nombre d’ions et de leur dynamique sur les performances de l’étalon.

Nous proposons une thèse dont l’enjeu est de quantifier expérimentalement l’influence de l’effet Doppler du 2e ordre grâce à son observation sur la transition d’horloge optique de l’ion calcium. Il nous semble aujourd’hui pertinent de vérifier les effets de nombre d’ions, de taille de nuage ainsi que de la géométrie du potentiel de confinement. Cette étude est rendue possible par le laser d’horloge à 729 nm développé au laboratoire, asservi sur une cavité optique ultra-stable dont la dérive et la largeur estimées sont aujourd’hui de l’ordre de 10 Hz sur une seconde. La versatilité du piège double que nous avons conçu (transfert rapide des ions, accès optique axial et radial) permet de faire des mesures comparatives entre ions en quadrupole et en octupole dans la même heure, que ce soit sur l’effet Doppler induit par le mouvement thermique que sur celui induit par le mouvement forcé par la radiofréquence.

L’exploitation d’un laser ultra-stable excitant la transition d’horloge optique de l’ion calcium, associée à un piège double capable de confiner de gros nuages et d’en varier la température, offre la possibilité de caractériser les effets limitant la stabilité des futurs étalons micro-onde à ions dans le but de les contrôler et si possible de les réduire.

Le/la candidat-e intégrera une équipe motivée. Il/elle devrait avoir de bonnes connaissances en physique atomique, optique et laser, ainsi qu’un gout prononcé pour la physique expérimentale.

Références bibliographiques :
Plus de détails : Prix Nobel 2012 à S Haroche et DJ Wineland : www.nobel.se
[1] Atomic Clocks and Oscillators for Deep-Space Navigation and Radio Science
J Prestage, G. Weaver, Proceedings of the IEEE 95, 2235 – 2247 (2007)
[2] E. Burt et al. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 55 (2008) 2