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Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spécialité: Physique atomique

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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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Presentation Transcript
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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

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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“. …

slide3

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

slide4

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
slide5

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

slide7

Retour sur le césium 133Cs

I. Structure fine , hyperfine et magnétique

1 électron de valence

Influence de B ?

slide8

Retour sur le césium 133Cs

II. Formule de Breit-Rabi de l’état fondamental 2S1/2

G. Breit

I. Rabi

Zeeman quadratique

-

+

slide9

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

slide10

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

slide11

Le strontium fermionique87Sr

I. Structure fine, hyperfine et magnétique

2 électrons de valence

Influence de B ?

Transition d’horloge

slide12

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:

slide13

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:

slide14

Le strontium fermionique87Sr

Zeeman quadratique

Facteur de Landé différentiel

14

slide15

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)

slide16

Le strontium fermionique87Sr

V.1 Habillage du spin nucléaire par un champ RF

slide17

Le strontium fermionique87Sr

V.2 Le champ magnétique « magique »

slide19

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

slide20

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 !

slide21

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

slide22

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

slide23

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

slide25

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 )
slide26

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

slide28

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

slide29

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

slide30

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
slide32

Charles Townes

JeroldZaccharias

Norman Ramsey

Gregory Breit

Isidore Rabi