Pellaton, Matthieu

2018-6-4, Moreno, William, Pellaton, Matthieu, Affolderbach, Christoph, Mileti, Gaetano

Vapor-cell atomic clocks are compact and high-performance frequency references employed in various appli-cations ranging from telecommunication to global positioningsystems. Environmental sensitivities are often the main sourcesof long-term instabilities of the clock frequency. Among thesesensitivities, the environmental pressure shift describes the clockfrequency change with respect to the environmental pressurevariations. We report here on our theoretical and experimentalanalysis of the environmental pressure shift on rubidium atomicfrequency standards (RAFSs) operated under open atmosphere.By using an unsealed high-performance laser-pumped rubidiumstandard, we demonstrate that the deformation of the vapor-cell volume induced by the environmental pressure changes(i.e., barometric effect) is the dominant environmental pressureshift in a standard laboratory environment. An experimentalbarometric coefficient of 8.2×10−14/hPa is derived, in goodagreement with theory and with previously reported measure-ments of frequency shifts of RAFS operated when transiting tovacuum.

, Pellaton, Matthieu, Mileti, Gaetano

Les cellules à vapeur d’atomes alcalin et gaz tampon sont au cœur de presque toutes les horloges atomiques commerciales compactes ou miniatures. Elles contiennent une vapeur d’atomes alcalin dont une des fréquences de transition atomique sert de référence stable à l’oscillateur de l’horloge. Ce travail de recherche porte sur l’étude des phénomènes physiques se déroulant dans ces cellules et plus particulièrement des effets de miniaturisation sur la vapeur d’atomes, en vue de la réalisation d’une horloge miniature.
Plus de 150 cellules en verre soufflé ont été produites et caractérisées, et plus de 30 cellules micro fabriquées ont été évaluées. Leurs méthodes de fabrications, ainsi que les évaluations spectroscopiques de certains types seulement, orientées vers la miniaturisation, sont présentées. Ces techniques d’évaluation, développées au cours de cette thèse, ont permis d’évaluer des processus innovants de (micro-) fabrication développés à Neuchâtel pour des cellules de référence d’horloges atomiques compactes ou miniatures. Notamment, la caractérisation par spectroscopie du taux de mélange de gaz tampon avec une résolution de ±1% ainsi que la détection de fuites aussi petites que 1.5 x 10^-13 mbar l/s ont permis de valider deux processus de micro-fabrication de cellule : le "classique" anodic-bonding ainsi qu’une technique innovante de scellage à basse température par thermocompression d’indium.
L’utilisation de certains revêtements anti relaxants permet de s’astreindre du gaz tampon pour la préservation du spin des atomes; quatre types différents ont été testés: Parylene N et C, tetracontane et Octadecyl-Trichloro-Silane (OTS). Alors que les parylenes N et C s’avèrent inadéquats en tant que revêtements anti-relaxants, d’excellentes propriétés anti-relaxantes sont obtenues pour le tetracontane, validant ainsi la méthode ainsi que le système de production développé au LTF pour des cellules en verre soufflé. La fabrication au sein du LTF a permis l’observation du phénomène dit de ripening d’une cellule revêtue de tetracontane par spectroscopie double résonance, dont on présente les résultats. Une explication physique est également donnée. L’expérience acquise avec les cellules en verre soufflé a permis la validation spectroscopique par double résonance d’une cellule micro-fabriquée avec revêtement OTS. Les résultats sont présentés et les propriétés antirelaxantes du revêtement sont démontrées pour un volume de vapeur de rubidium de 4.2 mm³.
Finalement, une évaluation spectroscopique et métrologique d’un assemblage "résonateur micro-onde-cellule" novateur et micro fabriqué d’un volume inférieur à 0.9 cm³ est présentée. Le volume de la vapeur de rubidium et de gaz tampon est de l’ordre de 50 mm³ seulement. Les déplacements de fréquence systématiques limitant les performances métrologiques sont caractérisés, avec une attention particulière pour le déplacement radiatif. Une analyse détaillée, théorique et expérimentale, de ce dernier, dans les lignes D1 et D2 et pour chaque variante de pompage optique est donnée. Le déplacement de fréquence lié aux variations de puissance micro-onde et le déplacement radiatif en fréquence s’avèrent être les principaux facteurs limitant la stabilité à moyen-long terme à un niveau de quelques 10^-12. On démontre également des performances d’instabilité d’horloge relative meilleure que 10^-11 pour des temps d’intégration de 1-10⁵ s. Une variante d’interrogation supprimant totalement le déplacement radiatif est proposée. Cette dernière permet d’envisager une horloge rubidium extrêmement compact avec des performances hautement compétitives., Buffer-gas alkali vapour cells form the heart of essentially all types of commercial compact or miniaturized atomic clocks. They reliably hold and confine a vapour of alkali atoms, which provides the atomic transition frequency serving as stable reference for the clock oscillator. The desire to bring atomic clock stability to portable applications such as telecommunication and navigation increased the need for more compactness and lower power consumption. This motivated the present thesis work on the cells miniaturization and the novel clocks that could be realized with such cells.
More than 150 glass blown cells were produced and tested and more than 30 microfabricated cells evaluated. We present the fabrication process for each type of them. We restrict ourselves to the spectroscopic analysis of certain cell types only, which are more oriented towards the miniaturization of an atomic clock. These evaluation techniques, developed in the frame of this thesis, allowed to tests the innovative (micro-) cells fabrication processes elaborated at the LTF and SAMLAB in Neuchâtel. In particular, the buffer gas mixture characterization with a resolution of ±1%, and the leak rate detection with a limit of 1.5 x 10^-13 mbar l/s were achieved. This allowed the validation of two distinct sealing processes: the “classic” anodic bonding, and an innovative low temperature sealing technique using thermocompression of indium.
As an alternative to the buffer gas, the use of certain types of wall coating also allows the atomic polarization preservation. Four different types have been used: Parylen C and N, Tetracontane and OTS. While the Parylene appears to be inadequate for use with rubidium atoms, excellent antirelaxing properties are obtained with tetracontane and OTS. The successful in-house fabrication of wall coated cells allowed the observation of the ripening process by double resonance spectroscopy. The results are presented and an interpretation is given. A microfabricated OTS wall coated cell was produced at Neuchâtel too, by R. Straessle at SAMLAB. We present its spectroscopic analysis and demonstrate truly antirelaxing properties of the coating in a 4.2 mm³ vapour volume.
Finally, a spectroscopic and metrologic study of an innovative "cell-microwave resonator" assembly is presented. Both the cell and the resonator are microfabricated. The cell vapour volume is of the order of 50 mm³ only. Systematic shifts limiting the metrologic performances are characterized, with a focus on the light shift. A detailed, theoretical and analytical, analysis is presented in both, the D1 and D2, lines and for various optical pumping schemes. Frequency light shift is found to be one of the main stability limiting factor in the medium to long term regime. The limit is at a level of few 10^-12. We demonstrate fractional frequency stability < 10^-11 from 1 s up to one day of integration time with a resonator physics package volume of less than 0.9 cm³. An alternative interrogation scheme, suppressing completely the light shift, is discussed to improve the medium to long term performances. This scheme would allow the fabrication of an atomic clock extremely compact with highly competitive stability performances.

2015-10-27, Gharavipour, Mohammadreza, Affolderbach, Christoph, Kang, Songbai, Bandi Nagabhushan, Thejesh, Gruet, Florian, Pellaton, Matthieu, Mileti, Gaetano

We report our investigations on a compact high-performance rubidium (Rb) vapour-cell clock based on microwave-optical double-resonance (DR). These studies are done in both DR continuous-wave (CW) and Ramsey schemes using the same Physics Package (PP), with the same Rb vapour cell and a magnetron-type cavity with only 45 cm3 external volume. In the CW-DR scheme, we demonstrate a DR signal with a contrast of 26% and a linewidth of 334 Hz; in Ramsey-DR mode Ramsey signals with higher contrast up to 35% and a linewidth of 160 Hz have been demonstrated. Short-term stabilities of 1.4×10^-13 τ^-1/2 and 2.4×10^-13 τ^-1/2 are measured for CW-DR and Ramsey-DR schemes, respectively. In the Ramsey-DR operation, thanks to the separation of light and microwave interactions in time, the light-shift effect has been suppressed which allows improving the long-term clock stability as compared to CW-DR operation. Implementations in miniature atomic clocks are considered.

2014-5-22, Violetti, Maddalena, Pellaton, Matthieu, Merli, Francesco, Zürcher, Jean-François, Affolderbach, Christoph, Mileti, Gaetano, Skrivervik, A.K.

Nowadays mobile and battery-powered applications push the need for radically miniaturized and low-power frequency standards that surpass the stability achievable with quartz oscillators. For the miniaturization of double-resonance rubidium ( 87 Rb) atomic clocks, the size reduction of the microwave cavity or resonator (MWR) to well below the wavelength of the atomic transition (6.835 GHz for 87 Rb) is of high interest. Here, we present a novel miniaturized MWR, the μ-LGR, for use in a miniature DR atomic clock and designed to apply a well-defined microwave field to a microfabricated Rb cell that provides the reference signal for the clock. This μ-LGR consists of a loop-gap resonator-based cavity with very compact dimensions (<;0.9 cm 3 ). The μ-LGR meets the requirements of the application and its fabrication and assembly can be performed using repeatable and low-cost techniques. The concept of the proposed device was proven through simulations, and prototypes were successfully tested. Experimental spectroscopic evaluation shows that the μ-LGR is well-suited for use in an atomic clock. In particular, a clock short-term stability of 7 × 10 -12 τ -1/2 was measured, which is better than for other clocks using microfabricated cells and competitive with stabilities of compact Rb clocks using conventional glass-blown cells.