Membres du projet :
Raphaël MONTEIL (raphael.monteil@etu.upmc.fr)
Pauline DUFOUR (pauline.dufour2@etu.upmc.fr)
Orianne LEMAIRE (orianne.lemaire@etu.upmc.fr)
Kristiyan TOMOV (kristiyan.tomov@gmail.com)
Professeur référent : Thomas ZANON
<fc #008080>Présentation :
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Les horloges atomiques sont notamment à l'origine de la définition de la seconde du système d’unité internationale. Elle est basée sur une résonance de l’atome de césium 133, correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins |F = 3> et |F = 4> de l’état électronique 6S1/2. Ce phénomène, la résonance noire, est celui que nous allons essayer d'observer et qui est au cœur du fonctionnent des horloges atomiques développées au LNE-SYRTE. Il permet aux horloges d'être plus précises et donc plus performantes ou encore de voir leur taille réduite en permettant de les régler à partir d'appareils optiques.
La résonance noire est expliquée par le principe de superposition d'état. En mécanique quantique pour deux états possibles d'un système, les propriétés des espaces vectoriels font qu'une combinaison linéaire de ces états devient un état possible du système appelé état de superposition (cf partie théorique pour plus de précision). Dans le cas du césium on envoie deux lasers de fréquences différentes mais tous deux au voisinage de la fréquence de résonance (résonance Raman cf explications théorique). On observe alors une résonance dite noire, correspondant au minimum de fluorescence ou au maximum local de transmission au lieu d'un maximum d'absorption des photons attendu (les atomes devraient logiquement absorber un maximum de photons car les fréquences des lasers correspondent à un de leurs états excité) on a donc un minimum de la fluorescence.
Ce phénomène a lieu car l'atome au lieu de “choisir” l'un des états correspondant à l'un des lasers se met dans une superposition d'état et n'est donc plus en résonance avec les fréquences qu'il reçoit (il n'absorbe et donc n'émet plus de photons). Les atomes de césium se comportent alors comme s'ils étaient “invisibles”.
<fc #008080>Objectif :
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Dans le cadre de notre projet nous allons essayer de réaliser un montage optique nous permettant d'observer la résonance noire. Nous essaierons de traiter cette manip comme un TP et de détailler le plus clairement possibles la théorie derrière ce phénomène. De plus si nos résultats expérimentaux sont concluants et si nous avons la possibilité de poursuivre ce projet, nous tenterons d’asservir l'un des lasers et de transformer ainsi notre montage en horloge atomique à césium utilisable.
Un grand merci pour tous les prêts qui nous permettent de réaliser notre montage et qui nous motivent dans ce projet. Vous pourrez suivre l'évolution de notre projet grâce au journal de bord et suivre les explications théoriques ci dessous.
<fc #008080>Journal de bord :
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<fc #008080>Explications physique : </fc>
Entrons plus en détail dans l'explication de la résonance noire du point de vue des états quantiques:
Les états quantiques concernés du césium se comportent comme un système quantique a trois niveaux d'énergies (|1>, |2> et |3>) ou on a une résonance parfaite pour chaque transition atomique (entre les niveaux |1>⇔|3> et |2>⇔|3>). Ce système est donc décrit par un hamiltonien (ci dessous) dans la représentation d’interaction et défini dans la base orthonormée {|1>|2>|3>}. Les désaccords des lasers L1,L2 par rapport à chaque transition sont notés ∆1 = ωL1−(ω3−ω1) et ∆2 = ωL2 −(ω3 −ω2).
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On a donc bien un terme de couplage nul pour le niveau d'énergie |3> c’est à dire à un phénomène d’interférences destructives qui rend l’atome “transparent” aux ondes lasers et engendre la résonance noire.
Niveaux de transitions :
Dans le cadre de notre expérience nous étudions le niveaux D1 du césium qui correspond à une longueur d'onde de 894nm, la longueur d'onde que nous prenons pour notre laser. Ce niveaux est composé de deux niveaux ²S½ et ²P½ eux même éclaté en deux sous niveaux |F=i> avec |I-J| < F < I+J, c'est-à-dire 3 < F < 4 ( I=7/2 ; J=1/2 valeur du spin ).
Nous appellerons le sous niveaux de ²P½ |F=4'> afin de ne pas le confondre avec le sous niveau |F=4> de ²S½. Ainsi les états |1>, |2> et |3> décrits précédemment sont respectivement les sous niveaux |F=3>, |F=4> et |F=4'>.
Lorsqu'on applique un champ magnétique les niveaux |F=3>, |F=4> et |F=4'> s'éclatent en sous niveaux hyperfins. C'est l'effet Zeeman. Il résulte de l'interaction du champ magnétique avec les mouvements orbitélaires des électrons et des nucléons.
Chacun de ses niveaux sera splité en 2F+1 sous niveaux. Pour |F=3> il y a 7 sous niveaux et pour |F=4> et |F=4'> il y a 9 sous niveaux. Ces sous niveaux hyperfins sont notés | F=i, m=j > avec i= 3,4 et j= -i,…,+i (-F < m < +F ).
La résonance noire sera observé pour une fréquence de résonance qui correspond à la transition de |F=3,m=0> et |F=4, m=0> vers |F=4',m=0>. Nous verrons un peu plus bas pourquoi nous choisissons la fréquence de résonance correspondant à ces transitions précises.
La polarisation circulaire des faisceaux laser impose les transitions suivantes. La transition dite σ+ pour laquelle Δm= +1 et la transition σ- pour laquelle Δm= -1. cf schéma ci dessous.
Le blindage magnétique :
Dans notre expérience, la cellule de césium sera contenu dans un cylindre en mu métal qui constitue un blindage magnétique. En effet le mu métal à comme propriété de dévier les champs magnétiques, en l'occurrence ici le champs terrestre. Les niveaux hyperfins décrits plus haut sont sensibles au champ magnétique qui peut modifier leur énergie et donc modifier les fréquences de transitions. Les niveaux |F=i, m=0> (i=3,4) sont moins sensibles au champ magnétique car ils correspondent aux niveaux non splités, c'est à dire aux niveaux |F=i> (i=3,4)> c'est pourquoi on choisit d'utiliser la fréquence de résonance correspondant à ces transitions.
<fc #008080>Principe du montage : </fc>
Schéma électrique de notre montage:
<fc #008080>Diagramme de Gantt : </fc>
<fc #008080>Matériel et budget:
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Le matériel étant couteux et fragile un grand merci pour les prêts qui nous ont étés accordés.
- Blindage magnétique (prété par l'UFC)
- diode VSCEL (prétée par l'UFC : Université de Franche-Comté)
- Cellule de vapeur de Césium 133 avec et sans gaz tampon (prétée par l'UFC)
- Lame quart d'onde (prétée par l'UFC)
- Photorécepteurs IR (prêté par M. Thirouard)
- Banc optique + deux supports pour la quart d'onde et le photorécepteur(prété par Mr Thirouard de la plateforme expérimentale du Master de Physique)
- wavelength (prêté par M. Thirouard)
- l'alimentation de la diode en mA (prétée par l'UFC)
- le générateur en hyperfréquence (prêté par le SYRTE)
- 2 câbles bananes (prêtés par Jean-Philippe Bernard)
- 1 câble SMA (prêtés par Jean-Philippe Bernard)
<fc #008080>Bibliographie :
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Horloge à cellule de césium et piégeage cohérent de population : étude des principaux effets affectant la stabilité de la fréquence
Olga KOZLOVA, Jean-Marie DANET, Stéphane GUERANDEL et Emeric de CLERCQ
Mécanique Quantique: Examen de L3 1er semestre — 3P001 —
Atomic clocks and coherent population trapping: Experiments for undergraduate laboratories
Nathan Belcher, Eugeniy E. Mikhailov, and Irina Novikova
Am.J.Phys., Vol. 77, No. 11, November 2009
Numerical Simulation of the Zeeman Effect from Laser-induced Fluorescence of Neutral Xenon IEPC-2007-254 Ba¨ılo B. Ngom, Timothy B. Smith, Wensheng Huang, and Alec D. Gallimore
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00319950/document thèse : FONTAINE ATOMIQUE DOUBLE DE CESIUM ET DE RUBIDIUM AVEC UNE EXACTITUDE DE QUELQUES 10−16 ET APPLICATIONS Frédéric CHAPELET