Conception d'un piège de Paul microfabiqué pour le développement d'une horloge optique compacte, à ion piégé Yb+

Conception of micro fabricated Paul trap for a Yb+ trapped ion based, compact optical clock.

• Auteur / Autrice : Lucas Groult
• Direction : Yann Kersalé, Clément Lacroûte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Giordano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Kersalé, Clément Lacroûte, Vincent Giordano, Luca Guidoni, Martina Knoop, Romain Long, Thomas Lévèque
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luca Guidoni, Martina Knoop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Horloges atomiques

Mots clés libres

Ion piégé

Horloge atomique

Métrologie

Metrology

Trapped ion

Atomic clock

Résumé

Depuis les années 1970 et avec la contribution de Hans Dehmelt, d’immenses progrès ont été réalisés dans le domaine de la mesure du temps et des fréquences. L’apparition, au milieu du XXe siècle des premières horloges atomiques, puis des peignes de fréquences optiques ont permis l’avènement des horloges optiques. Ce type de dispositif présente un intérêt majeur pour de nombreux domaines de la physique car il permet de fournir un signal à la fois stable et précis à des niveaux inatteignables par des moyens mécaniques ou piézoélectriques.Parmi les différents domaines d’application possibles des horloges, nombreux sont ceux qui s’intéressent également à la compacité et à la transportabilité du dispositif. Les systèmes embarqués en premier lieu sont toujours plus exigeants en termes de contraintes de volume, de consommation énergétique et de performance. D’autres applications comme la géodésie nécessitent de pouvoir emmener l’horloge sur le terrain.C’est dans ce contexte qu’a débuté le développement de l’horloge optique compacte à ion Yb+ à l’institut FEMTO-ST en 2014. L'objectif est de développer une horloge atomique d’un volume total inférieur à 500 L et capable d’atteindre des performances supérieures d’un facteur dix à celles des horloges atomiques compactes actuelles. Mes travaux ont débuté en 2016, par la mise en place du système expérimental complet, depuis les bancs optiques et les sources lasers utilisées pour créer, refroidir et manipuler les ions, jusqu’à la mise sous vide de l’enceinte expérimentale et la capture des premiers ions Yb+. Le piège actuellement utilisé est un prototype de piège surfacique en cuivre sur FR-4, conçu pour mettre rapidement le système expérimental en fonctionnement et réaliser les premiers piégeages d’ion. A ce titre il présente plusieurs défauts et mon travail par la suite s’est donc orienté vers la conception et la réalisation d’un nouveau piège, utilisant les ressources de salle blanche (centrale de technologie MIMENTO) pour réaliser un nouveau piège micro-fabriqués utilisant des techniques de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

Thanks to Hans Dehmelt’s works, the field of frequencies and time measurement has immensely improved since the seventies. The emergence, in the early twentieth century, of the firsts atomic clocks, then of optical frequencies combs enabled the dawn of optical clocks. This kind of dispositive represents a major interest in in numerous disciplines of physics for it allows to dispense a signal that’s simultaneously stable and accurate at unreachable levels via mechanical or piezoelectrical means.Besides the numerous uses for the clocks, especially in telecommunications activities area, satellite navigation and aerospace, such performances lead the way to other possibilities, as in geodesy or in fundamental physics. Among many fields where compact clocks can be used, lots of them are interested in their compactness and their transportability. Embedded systems in the first place are always most regarding, towards volume, efficiency and energy consumption. Other applications, like geodesy, require to convey and use the equipment in the field.In this context began the development of the ion Yb+ compact optical clock at the FEMTO-ST Institute in 2014. The purpose is to process an atomic clock which total volume below 500L and able to reach performances above those of a hydrogen MASER by a factor ten. My work began in 2016, by setting up the complete experimental system, from the optical benches, to the laser sources used to create, cool and handle ions, to vacuum the experimental chamber and capture the first ions. The current trap is a prototypical surface trap, conceived to activate quickly the experimental system and achieve the first trapping of ions. As such, it suffers various defaults and my work subsequently went to design and produce a new trap, using the clean room’s resources (MIMENTO technology central) by micro-manufacturing with micro electromechanical systems techniques.