Développement d'une horloge optique basée sur un laser superradiant continu

Development of an optical clock based on a continuous superradiant laser

• Auteur / Autrice : Joshua Ruelle
• Direction : Yann KersalÉ, Marion Delehaye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Besançon, École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Temps Fréquence
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques (Besançon)

Mots clés

Mots clés libres

Métrologie temps-fréquence

Physique atomique

Lasers

Time and frequency metrology

Atomic physics

Lasers

Résumé

Avec l'arrivée des horloges atomiques optiques, les mesures de précision sont entrées dans une nouvelle ère. Les exactitudes relatives de fréquence ont atteint la 18ème décimale, et sont cruciales pour comprendre des phénomènes subtils de physique fondamentale. Ces horloges sont constituées d'un résonateur Fabry-Perot ultra-stable qui génère un laser ultra-stable utilisé pour interroger une transition atomique étroite dans un ensemble d'atomes froids avec une exactitude inégalée. Cependant, les limitations de ces horloges optiques traditionnelles, dites 'passives', sont difficiles à dépasser. En particulier, les horloges optiques actuelles dépendent fortement des cavités Fabry-Perot ultra-stables, dont le bruit de fréquence est échantillonné par l'interrogation intermittente de l'ensemble atomique et limite les performances de l'horloge. Les cavités Fabry-Perot ultra-stables atteignent maintenant leurs limites techniques et sont de toute façon difficilement spatializables en raison de leurs grandes dimensions intrinsèques, donc un nouveau paradigme est souhaitable pour l'avenir de la métrologie temps-fréquence. De nouveaux dispositifs de mesures des fréquences optiques émergent donc. Parmi eux, une perspective passionnante est de réaliser des lasers superradiants. Ils sont basés sur des atomes froids avec une transition optique à faible largeur de raie, couplés à une cavité Fabry-Perot de haute finesse. La superradiance émerge comme l'interférence quantique constructive entre les différents chemins de désexcitation d'un état pleinement excité à un état fondamental. Un laser superradiant utilise directement l'émission atomique amplifiée par la cavité comme signal ultra-stable. Il a en principe la capacité de surpasser les performances des horloges optiques actuelles d'un ordre de grandeur, avec de faibles contraintes sur la cavité Fabry-Perot. Cette nouvelle architecture d'horloge montre donc des atouts prometteurs qui pourraient conduire à une future spatialisation, lorsque plusieurs technologies seront plus matures (lasers compacts, optique intégrée sur puce, cavité Fabry-Perot fibrée, atomes froids dans l'espace), et une fois que les avantages du phénomène de superradiance pour la métrologie temps-fréquence auront été démontrés. Le projet actuel vise à réaliser un prototype d'horloge superradiante utilisant des atomes d'ytterbium. Plusieurs preuves de principe pour la superradiance sur des transitions atomiques étroites ont déjà été fournies par d'autres groupes, notamment l'émission superradiante sur une transition horloge étroite ou de largeur inférieure à la largeur de raie. L'un des principaux défis actuels est l'obtention d'un fonctionnement continu : pour émettre de la superradiance, les atomes se désexcitent de l'état pleinement excité à l'état fondamental, tandis qu'il est impératif de maintenir l'inversion de population pour soutenir l'émission. Le repompage des atomes est une option, mais la perte inévitable d'atomes doit être prise en compte. Plusieurs projets sont actuellement en cours de construction dans le monde, mais nous souhaitons explorer un schéma original, constitué d'une combinaison audacieuse de repompage et de rechargement des atomes : nous prévoyons d'avoir deux sites de chargement – et deux ensembles atomiques – à l'intérieur de la cavité Fabry-Perot, qui seront peuplés alternativement, avec un ensemble émettant tandis que l'autre est repeuplé. L'état actuel de l'expérience est le suivant : des atomes froids sont préparés dans un piège magnéto-optique (> 10^8 atomes à moins de 100 µK). L'optimisation est en cours. La cavité Fabry-Perot est assemblée et sous vide, et elle est actuellement en cours de caractérisation. Le transport optique a été conçu et les atomes froids seront transportés du piège magnéto-optique à la cavité prochainement. Les activités du doctorant seront axées sur la réalisation de la superradiance et sur l'opération continue.

With the advent of optical atomic clocks, precision measurements have entered a new era. Fractional frequency accuracies have reached the 18th decimal, and are now providing key insights into faint fundamental phenomena. They are composed by an ultra-stable Fabry-Perot resonator that provides an ultra-stable laser, that is then used to interrogate a narrow clock transition in a cold atomic ensemble with unrivaled accuracy. Yet, the current limitations of these traditional, “passive”, optical clocks are now challenging to overcome: in particular, current optical clocks heavily rely on ultra-stable Fabry-Perot cavities, the frequency noise of which is aliased by the intermittent interrogation of the atomic ensemble and limits the clock performances. Ultra-stable Fabry-Perot cavities are now reaching their technical limits, and are anyway hardly spacializable because of their intrinsically large dimensions, so a new paradigm is desirable for the future of time and frequency metrology. New optical frequency keepers are therefore emerging. Among them, one exciting perspective is to realize superradiant lasers. They are based on cold atoms with a narrow-linewidth optical transition coupled to a high-finesse Fabry-Perot cavity. Superradiance emerges as the constructive quantum interference between the various decay paths from a many-body fully excited state to the ground state. A superradiant laser uses directly the enhanced atomic emission inside the cavity as ultra-stable signal. It has in principle the capability of surpassing the performances of current optical clocks by one order of magnitude, while alleviating the constraints on the Fabry-Perot cavity. This novel clock architecture therefore shows promising assets that might lead to a future spacialization, when several technologies will be more mature (compact lasers, chip-integrated optics, fiber Fabry-Perot cavity, cold atoms in space), and once the benefits of the superradiance phenomenon for time-and-frequency metrology have been demonstrated. The current project aims at realizing a prototype of a superradiant clock using ytterbium atoms. Several proofs of principle for superradiance on narrow atomic transitions have already been provided by other groups, in particular superradiant lasing on a narrow clock transition, or sub-natural linewidth operation. One of the main current challenges is the obtaining of continuous operation: to emit superradiance, atom decay from the fully excited state to the ground state, while it is imperative to maintain the inversion population to sustain lasing. Repumping atoms is an option, but the inevitable loss of atoms needs to be taken care of. Several projects are currently under construction in the world, but we would like to investigate an original scheme, constituted of an audacious combination of repumping and reloading of atoms: we plan to have to loading sites – and two atomic ensembles - inside the Fabry-Perot cavity that are populated alternatively, with one of the ensembles that lases while the other is repopulated. The current status of the experiment is the following: cold atoms are prepared in a magneto-optical trap (> 108 atoms at less than 100 µK). Optimization is ongoing. The Fabry-Perot cavity is assembled and inside vacuum, and is now under characterization. Optical transport hass been designed and cold atoms will be transported from the magneto-optical trap to the cavity soon. The PhD student activities will be focused on the realization of superradiance and on the continuous operation. First stability measurements will be performed as soon as superradiance is obtained, we expect them to be Fourier-limited by the duration of the emission. The realization of quasi-continuous and then continuous emission will then allow to perform long stability measurements and one of the first truly metrological characterizations of a continuous superradiant laser.