Le Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite PHARAO

En Physique Fondamentale, un étalon de temps ultra-stable comme PHARAO permet de sonder expérimentalement les propriétés de l'espace et du temps qui sont à la base de toute la Physique moderne, classique, quantique et gravitationnelle. En Métrologie du Temps et des Fréquences, l'Exactitude et la stabilité de PHARAO, associées à des techiques performantes de comparaison d'horloges terrestres et d'horloges en orbite, permettront d'améliorer la précision du Temps Atomique International et de réaliser de nouvelles applications pour la Navigation et le Positionnement.

PHARAO doit permettre de nouveaux test expérimentaux de la Relativité Générale dans le système solaire avec une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux mesures existantes de l'effet Shapiro (ralentissement apparent des photons dans le champ de gravitation du Soleil et un gain de facteur de 2 ordres de grandeur dans la mesure de l'effet Einstein (mesure du décalage vers le rouge de la fréquence d'un photon émis dans une région de fort potentiel gravitationnel et reçu dans une région de faible potentiel).

PHARAO est au carrefour des technologies de pointe dans les domaines de l'optique, de la manipulation des atomes par laser, de la métrologie des temps et des fréquences. Dans ces domaines, la compétence des Laboratoires français, soutenus depuis 1991 par le Centre National d'Etudes Spatiales, se situe actuellement au premier plan mondial.

Le projet PHARAO (Projet d'Horloge Atomique à Refroidissement d'Atomes en Orbite) est le résultat de travaux scientifiques et techniques conduits avec le soutien du CNES par trois laboratoires : l’Ecole Normale Supérieure - Laboratoire Kastler Brossel /ENS/LKB, l’Observatoire de Paris - Bureau National de Métrologie - Laboratoire Primaire Temps Fréquence /OP/BNM/LPTF, et le Laboratoire de l’Horloge Atomique /LHA.

Pharao consiste à développer un nouveau type d'horloge atomique embarquée ultra-stable utilisant la technique de refroidissement et piégeage par laser d'une vapeur d'atomes de césium, technique récompensée par le prix Nobel de Physique 1997.

Basé sur le principe d'une première réalisation de laboratoire dite "fontaine atomique" - à ce jour la meilleure horloge atomique à césium du monde - un prototype "avion" a été fabriqué et expérimenté au cours d’une campagne de vols paraboliques de l’Airbus Zéro-g en mai 1997.

Pharao, au carrefour des technologies de pointe dans les domaines de l’optique, de la manipulation des atomes par laser, de la métrologie du temps et des fréquences constitue un modèle exemplaire de synergie entre Sciences et Technologie.

En sciences spatiales Pharao, outre le fait que placé en orbite il permettra aux physiciens d'aller au delà de ce qui est aujourd'hui possible sur Terre dans la caractérisation d'horloges atomiques césium, constituera l'un des équipements clés pour la faisabilité de missions scientifiques ambitieuses telle la mission SORT (Solar Orbit Relativity Test), un test de la relativité générale par mesure de la déviation de la lumière au voisinage du Soleil, par mesure du retard de l'instant d'arrivée sur Terre d'un photon émis par une source lointaine.

Les horloges à atomes froids : principes et première réalisation

Les méthodes de refroidissement et de manipulation d'atomes ont provoqué en moins de dix ans une petite révolution dans le domaine de la mesure du temps et des horloges atomiques. Aujourd'hui, en effet, le meilleur étalon de temps au monde est un étalon utilisant des atomes refroidis par laser ; c'est la fontaine atomique développée par le BNM-LPTF. Cette fontaine possède actuellement une stabilité relative de fréquence 5.10-16 à t=20 000 s et une exactitude de 1.4 10-15, un gain d'environ dix sur les étalons conventionnels.

Fig.1. : Principe d’une horloge atomique

Très brièvement, le principe de fonctionnement d'une horloge atomique est décrit sur la figure 6 : une source radio-fréquence très pure spectralement vient interroger une transition atomique et l'on asservit le rayonnement de cette source sur l'écart (très stable) entre deux niveaux d'énergie de l'atome, en l’occurrence l'atome de césium. La fréquence de la source sera une réplique d'autant plus fidèle de la fréquence de l'atome que la résonance, obtenue en balayant la radio-fréquence autour de la fréquence atomique, est plus étroite. Comme la largeur de la résonance est, par simple transformée de Fourier, l'inverse du temps que mettent les atomes à traverser la zone d'interaction, il faut, pour obtenir précision et exactitude, allonger ce temps. La première méthode, proposée il y a longtemps par Ramsey, consiste à avoir non pas une mais deux zones d'interaction. Il se produit un effet d'interférence et la largeur de la frange d'interférence ne dépend que du temps mis par les atomes pour aller de la première à la deuxième zone. Les très faibles vitesses obtenues par refroidissement laser ont permis d'allonger ce temps par un facteur 100; pour cela on utilise sur Terre une fontaine atomique (figure 7).

Fig.2: La fontaine atomique

Les atomes de césium sont tout d'abord capturés et refroidis dans un piège magnéto-optique ou une mélasse optique. Les atomes sont ensuite pompés optiquement dans le sous-niveau fondamental g1 et lancés vers le haut à travers une cavité micro-onde excitatrice qui les porte dans une superposition linéaire des deux états g1 et g2 de la transition d'horloge à 9,2 GHz. Cette fonction d'onde évolue librement pendant tout le trajet qu'effectuent les atomes au-dessus de la cavité. La gravité leur fait faire demi-tour et repasser dans la cavité à la descente au bout du temps T. Les atomes interagissent alors une seconde fois avec la micro-onde, et on détecte finalement, dans un faisceau sonde situé sous la cavité, les atomes qui ont effectué la transition vers le niveau g2. Quand on balaye la fréquence u de la micro-onde, on obtient alors un signal modulé par des franges dites de Ramsey ; la largeur à mi-hauteur d u des franges est 1/2T. Pour une fontaine de 30 cm de hauteur, le temps T vaut 0.5 s et la largeur des franges n'est que de 1 Hz (Figure 8).

Fig.3: Signal expérimental de résonance de la fontaine atomique

Ceci correspond à un facteur de qualité u /d u égal à 1010. Le rapport signal sur bruit est ici de 2000 par coup (de durée 1 seconde) et la stabilité de fréquence de cette fontaine est 4,5 10-14 t -1/2, la meilleure à ce jour parmi tous les étalons primaires de temps. Elle atteint 5 10-16 à t=20 000 s, valeur limitée pour l'instant par le Maser à Hydrogène utilisé pour cette mesure. Les deux principales causes d'inexactitude des fontaines d'atomes de césium ont été identifiées et mesurées avec soin: les collisions entre atomes froids et le déplacement de fréquence induit par le rayonnement du corps noir (l'environnement à 25°C de la fontaine produit un déplacement relatif de fréquence de l'ordre de –1,7.10-14). La voie est désormais ouverte à l'obtention d'une stabilité de fréquence de l'ordre de 10-16 par jour dès qu'une seconde horloge en fontaine sera opérationnelle

PHARAO : l'horloge à atomes froids en micro-gravité

Dans une fontaine atomique, la gravité impose manifestement une limite à la résolution : on ne gagne en temps d'interaction que comme la racine de la hauteur de la fontaine. Dépasser une durée d'une seconde serait coûteux en encombrement et se ferait probablement au détriment de l'exactitude. En micro-gravité par contre, un temps de mesure d'une dizaine de secondes est envisageable dans un volume réduit. Sur Terre, il faudrait une fontaine de 120 mètres de hauteur, ce qui est totalement irréaliste ! On attend ainsi, dans l’espace, une amélioration d'un facteur dix en résolution et une excellente exactitude. C'est l'objectif du projet PHARAO. Ce projet regroupe les efforts de trois laboratoires (le Laboratoire Kastler-Brossel de l'Ecole Normale Supérieure, le Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences du Bureau National de Métrologie et le Laboratoire de l'Horloge Atomique).

Le principe de cette horloge est illustré figure 9. Les atomes froids sont tout d'abord capturés dans une première enceinte puis lancés très lentement dans la zone d'interaction micro-onde et enfin détectés par la fluorescence qu'ils émettent dans une zone de détection. Pour une vitesse de lancement de 10 cm/s, la largeur de la résonance doit être aussi faible que 0.1 Hz, dix fois plus fine que dans une fontaine au sol de taille raisonnable et mille fois plus fine que dans une horloge à jet non refroidi par laser.

Fig.4 :

a) Principe de l'horloge en micro-gravité. Les atomes froids sont tout d'abord capturés par des faisceaux lasers dans une première enceinte (1) puis lancés très lentement dans la zone d'interaction micro-onde (2) et enfin détectés par la fluorescence qu'ils émettent dans une zone de détection (3). Pour une vitesse de lancement de 10 cm/s, la largeur de la résonance doit être aussi faible que 0.1 Hz ;

(b) Niveaux d'énergie du césium. La seconde est définie à l'aide de la transition F=3, m=0® F'=4,m=0 dans le niveau électronique fondamental 6S1/2 à n 0=9.192 631 770 GHz. Le refroidissement laser et la détection des atomes utilisent la transition optique 6S1/2® 6P3/2 à 852 nm.

Les premières expériences en vols paraboliques d'avion, effectuées en 1991 et 1992, avaient démontré la faisabilité du refroidissement et du piégeage en gravité réduite. En mai 1997, un prototype complet d'horloge à atomes froids conçu pour fonctionner en impesanteur fut testé avec succès dans l'avion ZERO-G du CNES.

Le prototype réalisé pour les vols paraboliques est présenté figure 10. C'est la première expérience d'atomes froids transportable et il est remarquable de constater comment le système optique de refroidissement qui, il y a quelques années couvrait une table optique de laboratoire, a pu être miniaturisé grâce à l'utilisation des diodes lasers et des fibres optiques. L'ensemble des lasers effectuant la capture, le refroidissement et le lancement des atomes tient dans une boite rectangulaire de 65x 65x15 cm3.

Fig.5 :

(a) Le banc optique du prototype PHARAO. Dans une boîte carrée de 65 cm de côté et de 15cm de hauteur, 4 diodes lasers produisent les faisceaux nécessaires au refroidissement et à la manipulation des atomes. Ils sont transmis par huit fibres optiques au tube où a lieu l'interrogation micro-onde des atomes de césium ;

(b) Le tube de l’horloge ( longueur 1,1 m) (image non-disponible)

( source LPTF).

Fig.6 :Le prototype PHARAO en cours de test dans l’Airbus du CNES

Les signaux de résonance enregistrés durant plusieurs paraboles successives de l'avion ZERO-G du CNES produisant chacune 20 secondes où la pesanteur est réduite à 10-2g sont présentés sur la figure 12. Sur la figure 12a, les atomes sont lancés avec une vitesse relativement élevée et la largeur de la résonance de 14 Hz observée est proche de celle mesurée à 1g (13 Hz). Sur la figure 12b au contraire la vitesse n'est que de 2m/s et la résonance est deux fois plus fine (7Hz). Ce résultat ne peut être obtenu au sol avec la même vitesse de lancement car à 1g, les atomes n'arrivent pas à traverser toute la cavité et à atteindre la zone de détection. Ainsi l'absence de pesanteur permet de faire fonctionner l'horloge dans des conditions qui ne sont pas accessibles sur Terre. Avec une pesanteur résiduelle typique de 10-2g, il n'est pas possible de réduire plus encore la vitesse de lancement car les atomes dérivent de l'axe de la cavité par une valeur plus grande que le diamètre des trous et ne sont plus détectés. Il faut maintenant recourir à l'environnement spatial (10-5-10-6g) pour obtenir la réduction spectaculaire de la largeur de la résonance à 0,1 Hz. C'est l'un des objectifs de la mission ACES.