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PhD thesis

Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (19/11/1997), Salomon Christophe (Dir.)

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PHARAO: ÉTUDE D'UNE HORLOGE SPATIALE UTILISANT DES ATOMES REFROIDIS PAR LASER; RÉALISATION D'UN PROTOTYPE

Pierre Lemonde1

Les performances des horloges atomiques ont été considérablement améliorées par l'utilisation d'atomes refroidis par laser. En effet, il est possible d'observer ces atomes extrêmement lents beaucoup plus longtemps que les atomes à température ambiante des horloges conventionnelles. A ce jour, la meilleure horloge à césium a une exactitude de $2\times 10^(-15)$ et une stabilité de $1\times 10^(-15)$ sur trois heures d'intégration. Sur terre, le temps d'observation est limité à une seconde environ par la présence de gravité. L'objet de ce travail de thèse est l'étude d'une horloge à atomes froids fonctionnant en impesanteur. Dans un premier temps, nous montrons comment la micro-gravité peut conduire à une amélioration des performances de l'horloge avec un temps d'observation des atomes de plusieurs secondes. Les performances ultimes d'une horloge à atomes froids dans l'espace sont étudiées. Atteindre une exactitude et une stabilité à un jour de $1\times10^(-16)$ semble tout à fait réaliste à court terme. Le problème de la méthode d'interrogation des atomes doit être reconsidéré à ce niveau de performances et dans cet environnement d'impesanteur. Nous introduisons la fonction de sensibilité atomique pour le résoudre et comparer plusieurs méthodes d'interrogation possibles. La deuxième partie de ce travail présente un prototype de l'horloge spatiale. Compact et fiable, il a été testé en absence de gravité au cours de vols paraboliques à bord d'un avion. Cette expérience montre la faisabilité de l'horloge spatiale.

1:	LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel

keyword(s) : métrologie temps-fréquence – horloge atomique – horloge spatiale – refroidissement laser – atome à deux niveaux

The performances of atomic clocks have been drastically improved in the last few years thanks to laser cooling techniques. Indeed, extremely slow atoms can be observed much longer than the room temperature atoms used in conventional clocks. Today, the best cesium clock has an accuracy of $2\times 10^(-15)$ and a stability of $1\times 10^(-15)$ after a three hours integration time. On earth, the observation time of the atoms is limited to one second due to the presence of gravity. This thesis is devoted to the study of a micro-gravity clock using laser cooled atoms. In the first part, we show how this environment can lead to better performances with a several seconds observation time of the atoms. The ultimate performances of a cold atom clock in space are investigated. It seems realistic to reach in the short term an accuracy and a stability per day of $1\times10^(-16)$. The interrogation scheme of the atoms has to be reconsidered at this level of performances and in the environment of absence of gravity. We introduce the sensitivity function to solve this problem and compare different possible interrogation scheme. The second part of the thesis describes a prototype of the space clock. Compact and reliable, it has been tested in the reduced gravity of aircraft parabolic flights. This experiment shows the feasibility of the future space clock.

tel-00003883, version 1

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oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00003883

Submitted on: Tuesday, 2 December 2003 18:42:29

Updated on: Saturday, 21 January 2006 21:06:26