Horloge optique miniature à ion piégé - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Miniature single-ion optical clock

Horloge optique miniature à ion piégé

Résumé

Since 1967, the second is defined with respect to an atomic transition. More precisely, the second is determined in relation to 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to two hyperfine states of the ground state of an unperturbed cesium 133 atom.Today, the most efficient atomic clocks are in the optical domain: a laser is used to interrogate the transition of an atomic reference. The atomic elements used are for example strontium, mercury or ytterbium. Other optical clocks exploit a single trapped ion to establish a frequency reference.The best optical clocks occupy volumes of several thousand liters. Although there are fiber networks disseminating optical references between different laboratories, the need to be able to transport clocks remains a major issue for fundamental physics or for other applications such as geodesy.The Time and Frequency department of FEMTO-ST is developing a transportable optical clock with Yb+ trapped ion. The objective of the project is to obtain a total volume of the experiment of 500 L with performances ten times higher than current compact clocks.A single ion is trapped with the help of electric fields generated by a chip constituting a Paul surface trap. A single laser beam allows its cooling in the three directions of space. A laser with a wavelength of about 435.5 nm is used to interrogate the ion and form an ultra-stable oscillator.To trap ions, a prototype copper trap on FR-4 was used while in parallel a trap was designed and fabricated within the department. The rapid confinement of ions with the prototype trap allowed us to set up the experimental system and establish our first results.Measurements characterizing the trap could be performed and experimental techniques for the control of the trap were set up. The clock laser requires a pre-stabilization for its frequency noise reduction.Its frequency lock on an ultra-stable cavity operating at a telecom wavelength has been achieved using an optical frequency comb.Different simulations have been performed to predict the relative frequency stability of the clock or the behavior of the new trap.
Depuis 1967, la seconde est définie par rapport à une transition atomique. Plus précisément, la seconde est déterminée par rapport à 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à deux états hyperfins de l’état fondamental d’un atome de césium 133 non perturbé. Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes se situent dans le domaine optique : un laser est utilisé pour interroger la transition d’une référence atomique. Les éléments atomiques utilisés sont par exemple du strontium, du mercure ou de l’ytterbium. D’autres horloges optiques exploitent un ion unique piégé pour établir une référence de fréquence. Les meilleures horloges optiques occupent des volumes de plusieurs milliers de litres. Bien qu’il existe des réseaux fibrés disséminant les références optiques entre différents laboratoires, la nécessité de pouvoir transporter les horloges reste un enjeu majeur pour la physique fondamental ou pour d’autres applications comme la géodésie. Le département temps fréquence de l’institut FEMTO-ST développe une horloge optique transportable à ion piégé Yb+. L’objectif du projet est d’avoir un volume total de l’ expérience de 500 L avec des performances dix fois supérieures aux horloges compactes actuelles. Un ion unique est piégé à l’aide de champs électriques générés par une puce constituant un piège de Paul surfacique. Un unique faisceau laser permet son refroidissement dans les trois directions de l’espace. Un laser d’une longueur d’onde d’environ 435,5 nm est utilisé pour interroger l’ion et constituer un oscillateur ultra-stable.Pour piéger des ions, un piège prototype en cuivre sur FR-4 a été utilisé pendant qu’en parallèle un piège était conçu et fabriqué au sein du département. Le rapide confinement d’ions avec le piège prototype a permis de mettre en place le système expérimental et établir nos premiers résultats. Des mesures caractérisant le piège ont pu être effectués et des techniques expérimentales pour le contrôle du piège ont été mises en place. Le laser d’horloge nécessitant une pré stabilisation pour sa réduction du bruit de fréquence, son asservissement sur une cavité ultra-stable fonctionnant à une longueur d’onde télécoms a été réalisée à l’aide d’un peigne de fréquence optique. Différentes simulations ont été effectuées pour prédire la stabilité relative de fréquence de l’horloge ou le comportement du nouveau piège.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04195089 , version 1 (04-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04195089 , version 1

Citer

Bachir Achi. Horloge optique miniature à ion piégé. Optique / photonique. Université Bourgogne Franche-Comté, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UBFCD017⟩. ⟨tel-04195089⟩
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