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