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Study of microwave cavities for high performance pulse pumped double resonance atomic clocks
Project responsable Anja Skrivervik
Gaetano Mileti
   
Team member Mohammadreza Gharavipour
Anton Ivanov
Christoph Affolderbach
   
Abstract Ce projet de recherche concerne l’étude d’un nouveau type de cavités micro-ondes pour application dans des étalons de fréquence à cellule de Rubidium compacts de de hautes performances, fonctionnant notamment en régime pulsé. Ces horloges atomiques dont le volume est inférieur à 5 litres sont des instruments essentiels pour des applications-clef nécessitant des références mobiles garantissant de stabilités de l’ordre de 1 ns par jour, ce qui correspond à une stabilité relative de fréquence d’environ 10^-14 par jour.

Dans un étalon de fréquence au Rubidium fonctionnant selon le principe de la Double Résonance (DR), la vapeur atomique est soumise à un champ micro-onde précisément accordé en fréquence sur une transition hyperfine. Que ce champ soit appliqué de manière continue ou pulsée, il est essentiel de contrôler précisément la distribution spatiale de ce champ à travers la cellule qui contient la vapeur afin d’optimiser le signal de résonance et obtenir une stabilité au niveau de l’état de l’art. Ceci peut être obtenu grâce à une cavité micro-onde. Toute imperfection au niveau de la directivité et/ou de l’homogénéité du champ micro-onde peut se traduire en un effet systématique qui dégrade les performances à court, moyen ou long terme de l’étalon de fréquence.

L’approche du Pompage Optique Pulsé (POP) présente certains avantages par rapport au pompage optique continu mais renforce ultérieurement les exigences en terme d’homogénéité spatiale du champ micro-onde car elle exige que chaque atome dans la vapeur subisse exactement un «pulse pi/2» (rotation du spin fictif associé de 90°, selon la terminologie de la Résonance Magnétique Nucléaire). Or les cavités actuelles ne permettent pas d’obtenir une telle homogénéité à travers toute la cellule de Rubidium, tout en maintenant un volume total réduit.

Dans ce nouveau projet, l’objectif est de réaliser des cavités micro-ondes dont le champ approche une distribution idéale tout en maintenant une taille compacte.

Il s’agit d’un projet en collaboration entre le LEMA-EPFL, responsable de la conception, réalisation et caractérisation des cavités micro-onde et le LTF-UniNe, responsable de la spectroscopie atomique, et de la métrologie « Temps-Fréquence ». Un modèle théorique sera d’abord développé afin de prédire les performances de la future horloge. Une première validation expérimentale du modèle est prévue avec les cavités micro-ondes existantes. Durant une seconde étape, le modèle servira de base au développement d’une nouvelle cavité micro-onde.
   
Keywords frequency standards, microwave cavities, vapor cells, atomic clocks, field homogeneity
   
Project homepage http://p3.snf.ch/project-162346
   
Type of project Fundamental research project
Research area Génie électrique, métrologie temps-fréquence
Method of financing Fonds national suisse de la recherche scientifique
Status Completed
Start of project 1-11-2015
End of project 31-1-2018
Overall budget 316'140.00
Additional info U.02628
Contact Christoph Affolderbach