Études d'effets systématiques au niveau de 10⁻¹⁸ sur des horloges à réseau optique strontium et applications métrologiques

Study of systematic effects at the 10⁻¹⁸ level on strontium optical lattice clocks and metrological applications

• Auteur / Autrice : Yannick Foucault
• Direction : Sébastien Bize
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bize, Andrea Bertoldi, François Bondu, Clément Lacroûte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Bertoldi, François Bondu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps -- Mesure

Horloges atomiques

Mots clés libres

Horloges optiques

Mesures systématiques

Comparaisons

Enceinte ultra haut vide

Source effusive

Optical lattice clocks

Systematic measurements

Comparisons

Ultra high vacuum chamber

Effusive oven

Résumé

Le LNE-SYRTE développe actuellement des horloges à réseau optique. Ces horloges consistent en un ensemble de quelques dizaines de milliers d'atomes ultrafroids confinés dans un réseau optique, dont une transition étroite, la transition d'horloge, est utilisée pour asservir la fréquence d'un laser ultra stable. Les performances des horloges optiques trouvent des applications aussi bien en métrologie temps-fréquences, qu'en géodésiechronométrique, ou encore qu'en physique fondamentale.Deux horloges à réseaux optiques strontium sont opérationnelles au SYRTE, et présentent une instabilité de 7e-16 à 1 seconde, et une inexactitude fractionnaire de 1.4e-17. La fiabilité de ces instruments permet des campagnes métrologiques longues et régulières, qui ont notamment permis de confirmer leur performance lors de campagnes internationales.Cette thèse propose une description des horloges, et de leurs améliorations récentes. Un budget d'exactitude révisé est présenté, ainsi que des travaux contribuant à réduire l'inexactitude de certains effets systématiques au niveau de 1e-18 : Une étude du déplacement lumineux de la transition d'horloge est proposée, et accompagnée d'un protocole permettant de s'affranchir de sa dépendance avec la température des atomes interrogés. On présente également l'assemblage d'une nouvelle enceinte ultra-haut vide, devant réduire l'inhomogénéité du rayonnement thermique reçu par les atomes, principale contribution à l'inexactitude. De nombreux résultats de comparaisons des horloges strontium, locales et internationales, par liens fibrés et par satellites, contre des horloges micro-ondes et optiques sont également décrites. Y figurent la première contribution au pilotage du Temps Atomique Internationale (TAI) en temps réel.

LNE-SYRTE is currently developing optical lattice clocks. These clocks consist of a set of tens of thousands of ultra-cold atoms confined in an optical lattice, of which a narrow transition, the clock transition, is used to control the frequency of an ultra stable laser. The performances of optical clocks find applications in time-frequency metrology, in geodesychronometry, or in fundamental physics.Two strontium optical lattice clocks are operational at SYRTE, and present an instability of 7e-16 at 1 second, and a fractional inaccuracy of 1.4e-17. The reliability of these instrumentsallows long and regular metrological campaigns, which have confirmed their performance during international campaigns. This thesis proposes a description of the clocks, and their recent improvements. A revised accuracy budget is presented, as well as work contributing to reduce the inaccuracy of some systematic effects at the level of 1e-18: A study of the light shift of the clock transition is proposed, and accompanied by a protocol allowing to get rid of its dependence with thetemperature of the interrogated atoms. The assembly of a new ultra-high vacuum chamber is also presented, in order to reduce the inhomogeneity of the thermal radiation received by the atoms, main contribution of inaccuracy. Numerous results of comparisons of strontium clocks, local and international, by fiber links and satellites, against microwave and optical clocks are also described. It includes the first contributions to the steering of the International Atomic Time (TAI) in real time.