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Mileti, Gaetano
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Mileti, Gaetano
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gaetano.mileti@unine.ch
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- PublicationAccès libreStudies on miniature and compact Ramsey double-resonance Rubidium atomic clocks using hot vapors and cold atoms(2023)
; Cette thèse présente deux nouvelles horloges atomiques au Rubidium 87 à double résonance. Le chapitre 3 se concentre sur l’horloge μPOP, la première démonstration d’une horloge double résonance en mode Ramsey dans une cellule à vapeur micro-fabriquée. La stabilité court-terme de σy(τ ) ≤ 2 × 10−11τ−1/2 et la stabilité long-terme the 1.5 × 10−12 à la journée en font l’état de l’art dans la catégorie des horloges micro-onde double résonance dans les cellules micro-fabriquées. Comme démontré dans [1], la stabilié court-terme a été optimisée pour minimiser les contributions de l’effet Dick et de la contribution du bruit d’intensité relatif du laser, avec ce dernier limitant majoritairement les performances de l’horloge à court-terme. le budget long-terme montre que les effets de light-shift en intensité et en fréquence sont respectivement un et deux ordres de grandeurs en-dessous de la stabilité mesurée de l’horloge à la journée ce qui confirme la validité de l’approche POP pour limiter ces deux effets. Dans la limite supérieure, la contribution du décalage de fréquence dû à la température de la cellule est deux ordres de grandeurs au-dessous de la stabilité mesurée grâce au mélange de gaz tampons N2 et Ar. Les deux derniers effets évalués, les shifts de puissance micro-onde et de position, permettent d’expliquer les limites de performances de l’horloges à moyen et long-terme. Le shift de position est le facteur limitant au long-terme et est évalué avec soin grâce à la variance de Groslambert. Les études du μPOP se concluent par la démonstration d’une méthode fiable et rapide pour mesurer les taux de relaxation dans les horloges à cellules double résonance en mode Ramsey. Les valeurs des taux de relaxation de population et de cohérence sont d’environ 5 kHz et 4 kHz respectivement à la température nominale de ≈ 100◦C. A 60◦C, les deux taux tombent à 1 kHz. Ces valeurs sont globalement bien expliquées par le modèle présenté entièrement basé sur des coefficients physiques de la litérature. Dans ces conditions la différence entre le modèle et l’expérience est d’au maximum 20%. Le chapitre 4 démontre la réalisation d’une cavité micro-onde pour une horloge à atomes froids refroidis et prégés à l’aide d’un GMOT. Le facteur de qualité est Q ≈ 360 ce qui à l’avantage de réduire de shift du cavity-pulling. Le mode de type TE011 est séparé d’au moins 500 MHz de ses voisins, comme prédit par les simulations. Ces dernières ont également permis de simuler la fréquence du mode d’intérêt à 60 MHz près qui sont aisément compensés par la gamme d’accordage de la cavité. Les excellentes propriétés du champ magnétique prédites par les simulations en terme d’uniformité et d’homogénéité sont confirmées par la mesure du facteur d’orientation de champ de 97% et l’amortissement faible des oscillations de Rabi, respectivement. Le chapitre 5 décrit les résultats obtenus lors de l’intégration de la cavité micro-onde susmentionnées dans une manipulation d’horloge à atomes froids ayant eu lieu à l’université de Strathclyde dans le groupe d’Erling Riis. Cette horloge est la première démonstration d’une horloge à atomes froids de Rb à double résonance utilisant un GMOT pour le refroidissement et le piégeage des atomes. Cette approche permet de réduire considérablement la taille de l’horloge. En pratique, environ 106 atomes à 10 μK sont piégés grâce à celui-ci. Les franges de Ramsey sont obtenues avec un temps de Ramsey allant jusqu’à 20 ms limité par la géométrie du setup. Le cycle de l’horloge implémente également une phase de sélection d’état quatique permettant d’augmenter le signal-sur-bruit de l’horloge. La stabilité finale à court-terme est d’environ 1.5 × 10−11τ−1/2 et est en adéquation avec la limite estimée à partir du signal-sur-bruit venant des franges de Ramsey. La stabilité long-terme de l’horloge est limitée par le shift de Zeeman 2ème ordre dû à l’absence de blindage magnétique du setup. ABSTRACT This thesis presents results on two microwave, double-resonance, Rubidium 87 atomic clocks. These studies are motivated by the need for compact and miniature clocks with improved performances or improved Size,Weight and Power (SWaP). A first clock study, covered in chapter 3, focuses on the μPOP clock, the first demonstration of Double Resonance (DR) Ramsey operation in a micro-manufactured hot-vapor cell clock.With a short-termstability of σy(τ ) ≤ 2 × 10−11τ−1/2 and long-termstability of 1.5 × 10−12 at one day, the μPOP clock features state-of-the-art stability for microwave miniature cell clocks. As demonstrated in [1], the μPOP clock short-term stability has been optimized to mitigate the Dick effect and laser Relative Intensity Noise (RIN) contributions, with the latter being the biggest contributor to the short-termstability. The long-terminstability budget shows that the intensity and frequency light shifts contributions are one and two order of magnitudes lower than the measured stability with a contribution of the order of 10−13 and 10−14 at one day, respectively. This confirms the interest of the Pulsed Optically Pumped (POP) approach compared to the ContinuousWave (CW) scheme and sets the potential performances of the μPOP clock. Other long-termcontributors to the instabilities have been evaluated. In the upper limit, the contribution of the cell-temperature shift to the instability is estimated to be two orders of magnitude below the measured stability, confirming the benefit of the N2 and Ar buffer gas-mixture approach for a close to zero cell-temperature sensitivity coefficient. The last two effects, the microwave-power and the position shifts are the greatest contributor to the mid and long-termstability with the latter being the limiting long-term phenomenon whose contribution must be carefully evaluated using the Groslambert covariance. The μPOP studies conclude with the description of a fast and reliable method for measuring the relaxation rates in Ramsey DR vapor-cell clocks. At the nominal cell temperature, namely ≈ 100◦C, the population and coherence relaxations rates are measured to be at the order of 5 kHz and 4 kHz, respectively. Their values have been measured down to 60◦C with both at the order of 1 kHz. Finally, a theoretical model using only parameters taken from the literature has been derived to describe the measured relaxation rates values with agreement within 20%. Chapter 4 focuses on the simulation and realization of a microwave cavity for a DR cold-atom clock using a GratingMagneto-Optical Trap (GMOT). The final cavity shows a low quality factor of Q ≈ 360 which is in the interest of reducing the cavity-pulling shift. The TE011-like cavity mode is separated by at least 500 MHz from the neighbouring modes as predicted by the simulations. The same simulations allowed to effectively predict the cavity’s resonance frequency with a small error of 60 MHz which can easily be compensated by the cavity frequency tuning mechanism. The expected simulated excellent properties of the resonance mode in termof microwave field uniformity and homogeneity are confirmed by measurement of the field field orientation factor of 97% and low Rabi oscillation damping, respectively. Chapter 5 focuses on the integration of the microwave cavity in a clock setup designed by Erling Riis group from the university of Strathclyde. The clock described in this chapter is the first realization of a DR Ramsey Rb cold-atom clock using a GMOT for cooling and trapping which reduces the clock footprint. In practise, ≈ 106 atoms at ≈ 10 μK are loaded thanks to the grating. Ramsey fringes were successfully obtained with Ramsey times up to 20 ms, limited by the clock geometric design. The clock implements state-selection that allows for increased Signal-to-Noise Ratio (SNR) and better short-term stability of ≈ 1.5 × 10−11τ−1/2. This stability is well-explained by SNR of the fringes. Long-term stability is dominated by the 2nd-order Zeeman shift contribution as the clock is not magnetically shielded. The two studies presented in this thesis, namely the μPOP and cold-atom clocks, pave the way towards more miniature and compact frequency standards, respectively. Further improvements of the former would yield a intensity light shift limited clock with ≈ 10−13 stability at one day. Further version of the latter clock using the cavity as standalone vacuum system would allow for reduced SWaP cold-atom frequency standards. - PublicationAccès libreRamsey spectroscopy in a Rubidium vapor cell and realization of an ultra-stable atomic clock(2018)
; Divers domaines d’application dans l’industrie, les télécommunications, la navigation et l’espace exigent des étalons de fréquence fiables, compacts et performants avec un niveau de stabilité de <1×10−14 à 105s (équivalent à <1 ns/jour). Avec la technologie des lasers à semi-conducteurs, la technique du pompage optique par laser a ouvert de nouveaux schémas d’interrogation basés sur la double résonance (DR) laser et micro-ondes comme le pompage optique continu (CW) et le pompage optique pulsé (POP) qui sont utilisé pour faire de nouvelle horloges atomiques à cellules.
Dans cette thèse, nous présentons les performances d’un prototype de laboratoire d’horloge atomique à cellule à vapeur de Rubidium (Rb) fonctionnant avec un schéma Ramsey-DR (basé sur POP). L’horloge utilise une cavité micro-ondes compacte de type magnétron avec un volume de seulement 45 cm3 et un faible facteur de qualité (≈ 150). Le schéma Ramsey-DR utilise deux champs électromagnétiques résonants pour interroger les atomes - le champ optique pour polariser une population d’atomes par pompage optique, et le champ micro-ondes pour interroger la transition hyperfine de l’état fondamental qui est la fréquence atomique de référence. Les impulsions optiques et micro-ondes sont séparées dans le temps dans le schéma Ramsey-DR ; par conséquent, l’effet de biais de fréquence du à la lumière (light shift LS) peut être fortement réduit, ce qui améliore la stabilité de l’horloge. La cavité micro-ondes de type magnétron est conçue, développée et construite en collaboration avec le Laboratoire d’Electro- Magnétique et d’Acoustique (LEMA) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)1. Une cellule de verre nouvellement fabriquée au LTF avec un volume queusot 10 fois plus petit que la version précédente est remplie de 87Rb et de gaz tampon d’Argon et Azote. Un queusot plus petit réduit le coefficient de température queusot d’environ un ordre de grandeur, ce qui a été un facteur limitant pour la stabilité de l’horloge à moyen et long terme.
Les caractérisations et performances détaillées du signal d’horloge (frange centrale du signal Ramsey) sont présentées dans cette étude2. Nous obtenons un signal d’horloge avec un contraste allant jusqu’à environ 35% et une largeur à mi-hauteur d’environ 160 Hz obtenu en optimisant les différents paramètres impliqués dans le schéma Ramsey-DR. Avec notre cavité plus petite, ces réalisations ne sont pas triviales, car les exigences élevées en matière d’homogénéité sur l’ensemble du volume de la cellule sont plus difficiles à satisfaire. Dans cette étude, on obtient une stabilité à court terme (1 s à 100 s) de 2.4×10-13τ−1/2 ce qui est comparable à l’état-de-l’art en utilisant le schéma CW-DR et/ou en utilisant le schéma POP avec une cavité micro-ondes TE011 plus grande avec un facteur de qualité plus élevé. Le biais de fréquence dû à la lumière (light shift) est quantifié dans notre horloge atomique Ramsey-DR Rb. De plus, nous présentons un modèle préliminaire basé sur le modèle du light-shift en mode continue (CW-DR-LS) et estimons l’impact de l’intensité de la lumière (intensity light shift) dans le schéma Ramsey-DR. De plus, une nouvelle expression analytique est développée pour prédire la stabilité à court terme de l’horloge en considérant la durée de détection optique dans le schéma Ramsey-DR. A partir de cette formule, nous estimons également le meilleur temps Ramsey pour optimiser la stabilité à court terme de l’horloge.
Cette thèse contient en outre une étude plus fondamentale sur les temps de relaxation de la population et de la cohérence (T1 et T2, respectivement) de la "transition d’horloge" 87Rb. Cette étude a été réalisée en collaboration avec l’Institut de physique de Belgrade (Université de Belgrade)3. Les temps de relaxation sont une donnée importante de notre horloge atomique Rb, car ils limitent le "temps de Ramsey" utilisable dans le schéma Ramsey-DR. Une méthode expérimentale de Echo de Spin Optiquement Détecté (Optically-Detected Spin-Echo ODSE), inspirée de l’écho de spin classique de la résonance magnétique nucléaire, est développée pour mesurer les temps de relaxation du rubidium 87 dans notre cellule. La méthode ODSE permet d’accéder au T2 intrinsèque (spécifique pour la transition d’horloge) en supprimant la décohérence résultant de l’inhomogénéité du champ C à travers la cellule. Le T2 mesuré avec la méthode ODSE est en accord avec la prédiction théorique.
Ce travail a été réalisé au Laboratoire Temps-Fréquence de l’Université de Neuchâtel, en collaboration avec l’EPFL-LEMA pour la cavité micro-ondes de type magnétron, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) pour l’oscillateur local (LO) et l’Institut de physique de l’Université de Belgrade pour les mesures des temps de relaxation.
1 Dans le cadre des projects du Fonds National Suisse (FNS):"Microwave Cavities for High Performance Double Resonance Atomic Clocks and Sensors" no. 140712 (2012-2015) et "Study of microwave cavities for high performance pulse pumped double resonance atomic clocks" no. 162346 (2015-2018).
2 Dans le cadre du projet MClocks: "Compact and High-Performing Microwave Clocks for Industrial Applications", EMRP (European Metrology Research Programme, Programme of Euramet) project IND55-Mclocks (2013-2016). Le EMRP est conjointement financé les pays participant au EMRP qui dépend de EURAMET de l’union européen.
3 Dans le cadre du project FNS (SCOPES): "Ramsey spectroscopy in Rb vapor cells and application to atomic clocks" no. 152511 (2014-2018)., Various application fields in industry, telecommunication, navigation and space demand reliable, compact, high-performance frequency standards with a stability level of <1×10−14 at 105s (equivalent to <1ns/day). Thanks to semiconductor technology, optical pumping technique with a laser has opened up new schemes based on laser-microwave double-resonance (DR), such as continuous-wave (CW) and pulsed optical pumping (POP) to operate vapor cell atomic clocks.
In this thesis, we demonstrate the performances of a vapor cell Rubidium (Rb) atomic clock operating in a Ramsey-DR (based on POP) scheme in an ambient laboratory using a compact magnetron-type microwave cavity with a volume of only 45 cm3 and a low quality factor of ≈ 150. The Ramsey-DR scheme involves two resonant electromagnetic fields to interrogate the atoms - the optical field to polarize a population of atoms by optical pumping, and the microwave field to drive the ground-state hyperfine clock transition that serves as an atomic frequency reference. The applied optical and microwave pulses are separated in time in the Ramsey-DR scheme; therefore, the light shift (LS) effects can be strongly reduced which results in improving the clock stability. The magnetron-type microwave cavity is designed, developed and built in collaboration with Laboratory of Electro Magnetics and Acoustics (LEMA) at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)1. A newly homemade vapor cell with a 10 times smaller stem volume compared to the previous contains 87Rb and buffer gases of Argon and Nitrogen. The smaller stem results in reducing the stem temperature coefficient by about one order of magnitude, which has been a limiting factor for the medium- to long-term scales clock stability.
Detailed characterizations and performances of the clock signal (Ramsey central fringe) are presented in this study2. We obtain a clock signal with a contrast up to approximately 35% and a linewidth of approximately 160 Hz by optimizing the various parameters involved in the Ramsey-DR scheme. In our smaller cavity, these achievements are not trivial, because of the high requirements on field homogeneity over the entire cell volume are more challenging to meet. In this work, a short-term stability (1 s to 100 s) of 2.4×10-13τ−1/2 is achieved which is comparable to the state-of-the-art results using the CW-DR scheme and/or using the POP scheme with a larger TE011 microwave cavity with a higher quality factor. The LS effect is quantified in our Ramsey-DR Rb atomic clock. In addition, we present a preliminary model based on the CW-DR LS theory and estimate the intensity LS coefficient in the Ramsey-DR scheme. Moreover, a new analytical expression is developed to predict the clock’s short-term stability by considering the optical detection duration in the Ramsey-DR scheme. From this formula, we also estimate the best Ramsey time to improve the short-term stability of the clock.
This thesis, in addition, contains a more fundamental investigation on the measurements of the population and coherence relaxation times (T1 and T2, respectively) of the 87Rb "clock transition". This study has been performed in collaboration with the Institute of Physics Belgrade (University of Belgrade)3. These relaxation times are relevant for our Rb atomic clock, since they limit the usable "Ramsey time" in the Ramsey-DR scheme. An experimental method of Optically-Detected Spin-Echo (ODSE), inspired by classical nuclear magnetic resonance spin-echo, is developed to measure the ground-state relaxation times of 87Rb atoms held in our buffer gas vapor cell. The ODSE method enables accessing the intrinsic (T2 (specific for the clock transition) by suppressing the decoherence arising from the inhomogeneity of the C-field across the vapor cell. The measured T2 with the ODSE method is in good agreement with the theoretical prediction.
This work has been done at the Laboratoire Temps-Fréquence of University of Neuchâtel, in col- laboration with the EPFL-LEMA for the magnetron-type microwave cavity, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) that provided the Local Oscillator (LO) and Physics Institute of Belgrade University for relaxation times measurements.
1 Within the projects Fonds National Suisse (FNS):"Microwave Cavities for High Performance Double Resonance Atomic Clocks and Sensors" no. 140712 (2012-2015) and "Study of microwave cavities for high performance pulse pumped double resonance atomic clocks" no. 162346 (2015-2018).
2 Within the MClocks project: "Compact and High-Performing Microwave Clocks for Industrial Applications", EMRP (European Metrology Research Programme, Programme of Euramet) project IND55-Mclocks (2013-2016). The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union.
3 Within the project FNS (SCOPES): "Ramsey spectroscopy in Rb vapor cells and application to atomic clocks" no. 152511 (2014-2018). - PublicationAccès libreLong-Term Stability Analysis Towards <10-14 Level for a Highly Compact POP Rb Cell Atomic ClockLong-term frequency instabilities in vapor-cell clocks mainly arise from fluctuations of the experimental and environmental parameters that are converted to clock frequency fluctuations via various physical processes. Here, we discuss the frequency sensitivities and the resulting stability limitations at one-day timescale for a rubidium vapor-cell clock based on a compact magnetron-type cavity operated in air (no vacuum environment). Under ambient laboratory conditions, the external atmospheric pressure fluctuations may dominantly limit the clock stability via the barometric effect. We establish a complete longterm instability budget for our clock operated under stable pressure conditions. Where possible, the fluctuations of experimental parameters are measured via the atomic response. The measured clock instability of <2 × 10-14 at one day is limited by the intensity light-shift effect, which could further be reduced by active stabilization of the laser intensity or stronger optical pumping. The analyses reported here show the way toward simple, compact, and low-power vapor-cell atomic clocks with excellent long-term stabilities ≤10-14 at one day when operated in ambient laboratory conditions.
- PublicationAccès libreOptically-detected spin-echo method for relaxation times measurements in a Rb atomic vapor
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