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Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique

Etudes de transitions atomiques permises et interdites par spectroscopie laser en vue d’une application aux horloges optiques. Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique. En mémoire de Norman Ramsey décédé le 04 novembre 2011 .

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Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique

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Presentation Transcript

  1. Etudes de transitions atomiques permises et interdites par spectroscopie laser en vue d’une application aux horloges optiques Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique

  2. En mémoire de Norman Ramsey décédé le 04 novembre 2011 The Nobel Prize in Physics 1989 was divided, one half awarded to Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks“. …

  3. Atomes  Molécules 2005 – 2014: Spectroscopie des fréquences micro-ondes (Horloge 133Cs) Spectroscopie des fréquences optiques (Horloge 87/88Sr) • Gaz quantiques dégénérés • (BEC 52Cr) • Sources laser non-linéaires • (OPOs) • Spectroscopie moléculaire IR et instrumentation laser • (O3) Nuage d’atomes froids de 87Sr Liquide de O3

  4. Plan de l’exposé • Fonctionnement d’une horloge atomique • Retour sur le césium 133Cs: une résonance permise • Fermions/Bosons pour une horloge optique ….. • Le strontium fermionique87Sr: une résonance faiblement permise • Le strontium bosonique88Sr: une résonance interdite • Conclusions et perspectives en physique atomique • Mon projet de recherche en physique moléculaire

  5. Fonctionnement d’une horloge atomique Cavité électromagnétique ou laser  méthode d’interrogation système à 2 niveaux d’énergie avec un atome préparé dans un état initial réaliser la transition d’horloge pour avoir une réponse atomique

  6. Les résonances atomiques permises

  7. Retour sur le césium 133Cs I. Structure fine , hyperfine et magnétique 1 électron de valence Influence de B ?

  8. Retour sur le césium 133Cs II. Formule de Breit-Rabi de l’état fondamental 2S1/2 G. Breit I. Rabi Zeeman quadratique  - +

  9. Retour sur le césium 133Cs III. L’étalon de fréquence micro-onde Double passage dans une cavité électromagnétique système à 2 niveaux d’énergie avec un atome préparé dans un état initial réponse atomique J. Zacharias  = 0.9 Hz Q = 1010 Fontaine atomique de césium A. Clairon CGPM 1967:   « La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental de l’atome de césium 133 ». Aujourd’hui réalisée avec une exactitude de quelques 10-16

  10. Pourquoi remplacer un alcalin par un alcalino-terreux ? • Alcalino-terreux (87Sr): • Spin nucléaire et J=0 • Température Doppler et sub-Doppler • Longueur d’onde « magique » dans le visible + régime Lamb-Dicke  temps d’interrogation très long sans perturbation de la transition d’horloge • Facteur de qualité élevé • Alcalin (133Cs): • Spin électronique J=1/2 + spin nucléaire • Température Doppler • Géométrie de type fontaine •  temps d’interrogation limité • Facteur de qualité limité 10 mHz à 430 000 GHz 1 Hz à 10 GHz • 87Sr : I = 9/2 • Interaction avec le spin nucléaire entre 3P0 et 3P1 : transition d’horloge (J=0  J=0) faiblementpermise type dipolaireélectrique • Largeur 1 mHz • Abondanceisotopique 10% • 88Sr : I = 0 • Pas d’interaction avec le spin nucléaire entre 3P0 et 3P1 : transition d’horlogeinterdite à 1 photon mais possible E1M1 • Largeur << 1 mHz • Abondanceisotopique 90% Aspect fondamental: la structure magnétique ! Déterminer la sensibilité des niveaux atomiques de l’horloge au champ magnétique directeur: 133Cs connu depuis 1931, 87Sr non maîtrisé en 2005

  11. Le strontium fermionique87Sr I. Structure fine, hyperfine et magnétique 2 électrons de valence Influence de B ? Transition d’horloge

  12. Le strontium fermionique87Sr II.1 Couplage spin-orbite 1P1 Couplage spin-orbite: 3P1 3P0 La transition à 689 nm est activée par le couplage entre 1P1 et 3P1 1S0 Mesure expérimentale des durées de vie:

  13. Le strontium fermionique87Sr II.2 Influence du spin nucléaire 1P1 Influence du spin nucléaire: (F=I=9/2) (F=I=9/2) 3P1 (F=I=9/2) 3P0 La transition à 698 nm est activée par le couplage hyperfin entre 3P0 , 3P1 et 1P1 1S0 Estimation de la durée de vie de l’état 3P0: Mesures expérimentales des constantes de structure hyperfine:

  14. Le strontium fermionique87Sr Zeeman quadratique Facteur de Landé différentiel 14

  15. Le strontium fermionique87Sr IV. Spectroscopie laser des états magnétiques Polarisation +/- avec 0.64 G Polarisation  avec 0.58 G g estdirectementproportionnel à l’écarténergétique entre transitions adjacentes Ambiguité de signe Besoind’une calibration du champ magnétique JILA (2007) SYRTE (2007)

  16. Le strontium fermionique87Sr V.1 Habillage du spin nucléaire par un champ RF

  17. Le strontium fermionique87Sr V.2 Le champ magnétique « magique »

  18. Les résonances atomiques interdites

  19. Le strontium bosonique88Sr I. Activer la transition interdite 1P1 Plus de mélange hyperfin avec 3P1 !  transition d’horloge interdite à 1 photon 3P1 1354 nm 461 nm 3P0 5 THz 698 nm (  0 ) ? 1S0 1P1 1354 nm (M1) 3P1 461 nm (E1) 3P0 3P0 1S0 1S0

  20. Le strontium bosonique88Sr II.1 Spectroscopie à 2 photons par résonance noire Résonance noire 1P1 (élargissement radiatif) ? Déplacement de fréquence 3P0 2 1S0 Alcalin Temps de préparation 1 Alcalino-Terreux Pour minimiser le déplacement de fréquence de l’horloge au niveau relatif de 10-17  le temps de formation de la résonance est de l’ordre de 160s !

  21. Le strontium bosonique88Sr II.2 Spectroscopie impulsionnelle à 2 photons 3 2 1 1P1 Détection de la fraction atomique dans 1S0 Impulsion laser de durée variable Préparation atomique rapide Evolution libre 1354 nm 461 nm 3P0 1S0 1P1 1S0 • = 1- 5s • m << 5 s • = 1-5s • m  0.5s Fraction atomique Fraction atomique Franges de résonance noire Franges EIT/Raman

  22. Le strontium bosonique88Sr II.3 Compenser les déplacements lumineux 1P1 3P0 2 1S0 Contrôle du déphasage accumulé au cours de l’excitation à 2 photons 1 Déplacement de fréquence  (mHz) Déplacement de fréquence  (mHz) Transfert de population (%) 1S0

  23. Le strontium bosonique88Sr III. Compensation Hyper-EIT/Raman Disparition de l’émission spontanée  correction de fréquence pilotée par l’aire des impulsions de préparation et de détection Déplacement de fréquence  (mHz) Transfert de population (%) 1S0 - Applicable à la spectroscopie induite par champ magnétique proposée par le NIST - Interférométrie atomique

  24. Le strontium bosonique88Sr 1P1 3P0 1S0

  25. Le strontium bosonique88Sr IV. Le montage expérimental des faisceaux EIT/Raman Spectre expérimental du battement de fréquence asservi sur la cavité de pré-stabilisation • 1er démonstration d’un asservissement de fréquence entre deux sources laser séparées de 430 THz: • besoin d’un laser d’horloge ultra-stable • A partir de deux sources laser stabilisées sur une référence commune ( peigne de fréquences optiques )

  26. Conclusions et perspectives • Transition d’horloge dans un double champ RF ? • Transition d’horloge dans un champ RF 171Yb I=1/2 171Yb I=1/2 3P0 3P0 1S0 1S0 • Activation artificielle (phase de Berry) ? • Activation par champ statique ! 88Sr et 174Yb I=0 2 88Sr et 174Yb I=0 E 2 1 1 2007

  27. Le projet de recherche en physique moléculaire

  28. L’ozone O3 Gamme spectrale retenue (4 isotopologues accessibles) Positions en nombre d’onde des raies moléculaires de l’ozone 676 et 666 par rapport aux données HITRAN 2008 et GEISA 2009 Spectres moléculaires des isotopologues de l’ozone vers 10 m

  29. Absorption saturée sur 16O16O16O Diode à sel de Plomb refroidie par azote liquide (  10 MHz) P  0.5 mW Diode QCL refroidie par élément Peltier ( < 3 MHz) Largeur Doppler = 55 MHz (T=296K, P=40mTorr, L=10cm) Largeur sub-Doppler  3 MHz P  35 mW Fluctuation relative d’intensité 10-3 Caractérisations de la fonction d’appareil de la diode laser QCL Facteur de qualité moléculaire Q = 106 Fluctuation relative de fréquence 10-9

  30. Spectromètre laser asservi sur une référence de fréquence en laboratoire FQCL = RF + (m-n)fr Balayage du taux de répétition fr avec (m-n)  105 fr = 1MHz  10 GHz (3.3 cm-1) • Très haute résolution spectrale en nombre d’onde < 10-8 cm-1 (10-11) • 1000 fois plus stable que les diodes asserviessurinterféromètresstabilisés par He:Ne

  31. MERCI !

  32. Charles Townes JeroldZaccharias Norman Ramsey Gregory Breit Isidore Rabi

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