Étude métrologique de la transition 1S–3S de l'atome de deutérium : amélioration du dispositif expérimental, nouveaux effets systématiques et première mesure de fréquence absolue

Metrological study of the 1S–3S transition of the deuterium atom : improvement of the experimental setup, new systematic effects and first absolute frequency measurement

• Auteur / Autrice : Simon Thomas
• Direction : François Nez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Schwob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Debu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Daniel Comparat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie laser

Électrodynamique quantique

Rydberg, États de

Mesure

Deutérium

Hydrogène

Mots clés libres

Atome d'hydrogène

Deutérium

Spectroscopie

Métrologie

Constante de Rydberg

Rayon du deutéron

Électrodynamique quantique

QED

Spectroscopy of the hydrogen atom

Rydberg constant

Deuteron charge radius

Résumé

La théorie de l'électrodynamique quantique permet de calculer les fréquences de transition de l'atome d'hydrogène à la treizième décimale près, à partir des valeurs de quatre constantes fondamentales. Les expériences de spectroscopie de l'atome d'hydrogène atteignent elles aussi ce degré de précision : il est ainsi possible de tester la fiabilité de la théorie, par comparaison. Le présent travail contribue à ce test, en déterminant pour la première fois la fréquence de la transition 1S–3S du deutérium avec une incertitude relative de l'ordre du millionnième de millionnième. Dans notre expérience, la transition 1S–3S des atomes d'un jet d'hydrogène à température ambiante est excitée par l'absorption de deux photons à 205 nm, et détectée au travers de l’émission spontanée qui s’ensuit. Le faisceau laser à 205 nm, continu, est obtenu par somme de fréquences dans un cristal non-linéaire ; sa fréquence est déterminée de manière absolue vis-à-vis des horloges à césium du LNE-SYRTE. Les spectres obtenus en balayant la fréquence du faisceau sont ajustés à l’aide d’un modèle théorique approfondi des niveaux d’énergie et de la dynamique d’excitation du deutérium. L’amélioration, notamment, de la stabilité de nos sources laser et du rapport signal-sur-bruit de notre dispositif de détection nous a permis de mener une campagne de mesure, corrigée des différents effets systématiques qui affectent nos enregistrements. Cette campagne est la première à ne pas dépendre d’une compensation exacte du champ magnétique terrestre, et à tenir compte du biais induit par la fluorescence des atomes du gaz résiduel dans notre enceinte à vide – un effet que nous avons caractérisé et modélisé en détail.

The theory of quantum electrodynamics makes it possible to calculate the transition frequencies of the hydrogen atom to the thirteenth decimal place, from the values of four fundamental constants. Hydrogen atom spectroscopy experiments also achieve this degree of accuracy: it is thus possible to test, by comparison, the reliability of the theory. The present work contributes to this test, by determining for the first time the frequency of the 1S-3S transition of deuterium with a relative uncertainty of the order of a millionth of a millionth.In our experiment, the 1S-3S transition of atoms in a hydrogen beam at room temperature is excited by the absorption of two photons at 205 nm; it is detected via the de-excitation of the atoms by spontaneous emission. The continuous 205 nm laser beam is obtained by sum frequency generation in a non-linear crystal, and its absolute frequency is determined with respect to the LNE-SYRTE cesium clocks. The spectra obtained by sweeping the beam frequency are adjusted using a thorough theoretical model of the energy levels and excitation dynamics of deuterium.Improvements in the stability of our laser sources and the signal-to-noise ratio of our detection scheme have enabled us to conduct a measurement campaign, while correcting the various systematic effects that affect our recordings. This campaign is the first not to depend on an exact compensation of the Earth's magnetic field, and to take into account the bias induced by the fluorescence of the residual gas atoms in our vacuum chamber - an effect that we also have characterised and modelled in detail.