Ralentir un atome avec un laser
La stabilité de la fréquence d’une horloge atomique dépend directement de la largeur de la raie sur laquelle est asservi le mécanisme de l’horloge. Or la largeur de raie est liée par effet Doppler à la dispersion de la vitesse des atomes émetteurs, donc à leur température (la température d’un gaz est le reflet de l’agitation thermique des atomes qui le composent). Pour obtenir une très grande précision, il est essentiel de pouvoir maîtriser cette vitesse pour la réduire au maximum. Ceci revient à maintenir les atomes à une température proche du zéro absolu.
Le refroidissement et la manipulation d’atomes neutres par laser ont été développés dans les années 1980. Ces techniques permettent de disposer d’ensemble d’atomes dont la température est de l’ordre du microkelvin, ce qui correspond à des vitesses proches du centimètre par seconde. On doit ces techniques à Steven Chu, William Phillips et Claude Cohen-Tannoudji. Ils ont tous trois reçus le prix Nobel en 1997.
Le principe du refroidissement des atomes par laser consiste à appliquer aux atomes une force de rappel proportionnelle à leur vitesse en les illuminant par un (plusieurs) faisceau(x) laser.
Revenons au processus d’absorption – réémission d’un photon par un atome. Lors de l’absorption d’un photon, sa quantité de mouvement est transférée à l’atome (principe de conservation de la quantité de mouvement).
Phénomène inverse lorsque le photon est réémis (on parle alors de recul, par analogie au recul d’une arme à feu). Plaçons une petite quantité de gaz dans une cavité illuminée par un faisceau laser centré sur la fréquence d’excitation des atomes qui constituent le gaz. Supposons (hypothèse irréaliste) que ces atomes soient immobiles. Ils vont recevoir une série d’impulsions toutes dirigées dans la même direction, impulsions dues à l’absorption des photons. Par contre, la réémission de ces photons se faisant dans une direction aléatoire, la moyenne des impulsions correspondant à la réémission est nulle. Le faisceau va donc exercer une force qui tend à repousser les atomes.
Supposons maintenant que ce faisceau laser soit centré sur une fréquence légèrement inférieure à la fréquence d’excitation. Nous allons nous intéresser à une situation beaucoup plus réaliste : le cas des atomes en mouvement. Dans le référentiel lié à un atome qui se déplace, la fréquence des photons incidents est accrue par l’effet Doppler.
fL étant la fréquence d’accord du laser, f la fréquence dans le référentiel de l’atome considéré, k un vecteur unitaire orienté dans la direction du rayon laser et v le vecteur vitesse de cet atome. Si l’atome en question se déplace en direction de l’émetteur laser, la fréquence f va se rapprocher de la fréquence d’excitation des atomes du gaz. Il en résulte une force qui va le freiner, voire même le repousser.
Si l’atome s’éloigne, l’écart entre sa fréquence d’excitation et la fréquence du laser augmente : le faisceau laser n’a aucun effet. Mais dans ce cas, il suffit bien sûr de placer un émetteur laser à l’autre extrémité de la cavité pour le ralentir et le ramener au centre !
En disposant 3 paires d’émetteur laser autour de la cavité et en ajustant la largeur de la bande d’émission des faisceaux laser émis, il est possible de générer une force résultante qui s’applique sur les atomes du gaz et qu’on peut exprimer de la manière suivante :
Ceci conduit à l’équation qui suit pour le vecteur vitesse v :
Il y a donc ralentissement des atomes dans la cavité.
Remarque : les faisceaux laser sont réglés sur la même fréquence. De ce fait, on peut dire qu’ils génèrent 3 paires d’ondes stationnaires orthogonales.
Que fait-on de ces atomes une fois refroidis ? On les dirige vers une cavité de Ramsey en modifiant la fréquence de l’un des faisceaux laser pour les repousser, puis on éteint les faisceaux. La cavité est disposée verticalement, ce qui permet de faire passer les atomes deux fois dans la cavité : une fois en montant, une fois en descendant. C’est dans cette cavité que leur fréquence d’excitation est « interrogée » pour asservir la fréquence du compteur électronique de l’horloge. L’opération est répétée de manière régulière. On appelle ce dispositif une fontaine à atomes froids.
Situé dans les locaux de l’Observatoire de Paris, le SYRTE (Systèmes de Référence Temps-Espace) utilise une horloge basée sur ce principe. La cavité comporte quelques centaines de millions d’atomes à 1 microkelvin. C’est très peu : rappelons qu’il y a 6,02 1023 atomes de gaz dans un volume de 22,4 l à température et pression ambiante (nombre d’Avogadro). Avec un tel dispositif, la largeur de la raie obtenue est de 1 Hz ! La précision de l’horloge est de l’ordre de 10-16 : une seconde en 300 millions d’années.
Rappelons que la seconde est définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre deux états hyperfins d’un atome de césium 133. Cette définition a remplacé celle basée sur une fraction du jour solaire moyen.
