27 octobre 2021
L’horloge mercure du LNE-SYRTE est une horloge optique à atomes de mercure neutre de nouvelle génération utilisant un réseau optique dipolaire. Les atomes sont refroidis par laser et confinés dans un réseau de pièges dipolaires formé par une onde laser stationnaire dont la longueur d’onde est astucieusement choisie et bien contrôlée. On appelle cela une horloge à réseau optique. À l’aide d’un laser de très grande pureté spectrale nous adressons ensuite une transition étroite de l’atome de mercure (la transition d’horloge) et, par une mesure de probabilité de transition, nous déterminons de combien il faut corriger la fréquence de notre laser pour qu’il soit toujours accordé sur les atomes.
[!sommaire]
Pourquoi le mercure ?
En examinant les différentes sources de bruit et d’incertitude, on voit que l’espèce atomique idéale devrait posséder une transition d’horloge avec les caractéristiques suivantes :
- une fréquence très élevée
- une faible sensibilité aux champs magnétiques
- une faible sensibilité au rayonnement thermique
- un spin total de 1/2
et d’autres propriétés comme par exemple :
- une transition permettant un refroidissement laser efficace
- une section efficace de collision entre atomes froids non pathologique
- la facilité d’obtenir l’atome à l’état de vapeur
Il se trouve que la transition entre l’état fondamental et l’état du mercure possède tous ces atout et notamment une fréquence de 1 PHz (c’est à dire 1 million de milliard de hertz) et une sensibilité au rayonnement thermique 30 fois plus petite que le strontium. Ceci permet d’envisager des exactitudes relatives ultimes au delà de 10-18.
Et en pratique ?
En pratique nous avons besoin d’accomplir quatre actions sur les atomes : refroidir, piéger, interroger, détecter. Nous faisons cela dans une enceinte à vide dont vous voyez une image ci-contre, à l’aide de trois systèmes laser (le système de refroidissement permet aussi de détecter les atomes). Une des spécificités du mercure est qu’il est nécessaire d’utiliser trois lasers UV respectivement à 254 nm pour le refroidissement, à 362 nm pour le piégeage et à 266 nm pour l’interrogation.
Nous générons ces trois longueur d’ondes à partir de lasers infrarouge par une série d’étapes de génération de seconde harmonique (second harmonic generation) selon le schéma suivant :
Parmi nos derniers résultats...
- Nous avons mesuré le rapport entre la fréquence de la transition d’horloge du mercure 199 et celle du strontium. Nous trouvons : avec une incertitude relative de 1.8 x 10-16, en très bon accord avec la mesure de Yamanaka et al.
- Nous avons obtenu la mesure plus precise de la fréquence absolue de la transition d’horloge du mercure 199 (c’est-à-dire par rapport au Cs). Notre valeur est :
avec une incertitude statistique de 0.19 Hz et une incertitude systématique de 0.38 Hz, dominée par la réalisation de la seconde SI.
Pour approfondir
- Vous pouvez lire notre dernière publication en accès libre ici
- ou consulter les dernières thèse soutenues dans l’équipe :
- voir également la liste de nos publications ici
Membres de l’équipe
You can contact us by e-mail (prenom.nom@obspm.fr)
- Sébastien Bize
- Luigi de Sarlo
- James Calvert
- Changlei Guo
- Valentin Cambier