Horloge optique, une fibre creuse pour mesurer la seconde

Horloge optique: une fibre creuse pour une nouvelle définition de la seconde ?

Pour définir la seconde, les horloges atomiques devraient prochainement passer du micro-onde à l'optique. Des chercheurs du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), en collaboration avec l'Université de Tokyo, ont franchi une étape importante vers la réalisation d'une horloge optique précise et très compacte, en confinant des atomes ultra-froids à l'intérieur d'une fibre optique creuse spéciale mise au point au laboratoire. Ces résultats ont été publiés dans Nature Communications.


Depuis les années 1970 les horloges atomiques sont la référence universelle pour définir la seconde et mesurer le temps [1] . On en distingue deux catégories. Dans les horloges "atomiques micro-ondes", plus anciennes et très répandues, une onde électromagnétique est envoyée à un atome (le césium) qui répond de manière très précise et donne la "pulsation" du temps à une cadence de quelques milliards de battements par seconde. Les horloges à réseau optique, plus récentes, utilisent les impulsions lasers pour exciter les atomes et battre le temps à une cadence supérieure à 100 000 milliards de battements par seconde. Leur précision surpasse donc nettement celle des horloges atomiques micro-ondes et elles font actuellement l'objet de travaux de recherche très intenses. L'un des objectifs visés est notamment de diminuer la taille des dispositifs expérimentaux qui contrôlent à la fois la lumière et les atomes.

Le groupe GPPMM [2] , au sein du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), est pionnier dans la conception et la fabrication de fibres optiques creuses, et leur fonctionnalisation dans diverses applications en introduisant un milieu gazeux à l'intérieur du cœur de ces fibres. Des chercheurs de ce groupe ont testé pour la première fois la mise au point d'une horloge optique avec une telle fibre. En collaboration avec l'équipe du professeur Katori de l'Université de Tokyo, ils ont confiné une chaîne d'atomes de strontium ultra-froids à l'intérieur d'un cœur creux micrométrique d'une fibre optique spéciale appelée "Kagome hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF)". De manière remarquable et inattendue, le confinement des atomes a été réalisé sans que leur état quantique ne soit perturbé par la paroi toute proche du cœur creux de la fibre. En effet, malgré leur confinement, les atomes ultra-froids ne collisionnent ni avec la paroi du cœur de la fibre, ni entre eux. De plus, la configuration fibrée permet aux chercheurs d'assembler "en file indienne" autant d'atomes froids que souhaité. Il est donc possible d'augmenter le rapport signal-à-bruit sans compromettre la précision.

Ce résultat, basé sur une architecture fibrée, prouve pour la première fois que la conception d'horloges optiques hautement compactes est devenue un objectif réaliste. Le fait de pouvoir assembler de nombreux atomes au sein de ces fibres permet de plus d'envisager un saut technologique colossal au niveau de la performance même des horloges optiques.

Notes:
[1] Définition de la seconde: unité de temps équivalent à la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transmission entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.
[2] GPPMM: Gas-Phase Photonic and Microwave Materials group