Horloge optique miniature à ions piégés sur puce – MITICC

Les étalons de fréquence les plus exacts au monde sont aujourd’hui réalisés par des transitions optiques dans des ions piégés. Les dispositifs de laboratoires ont démontré des exactitudes relatives de fréquence de l’ordre de 10-17, permises par l’utilisation d’une fréquence optique, une très forte réduction des sources de bruit technique et un contrôle expérimental poussé. Les horloges optiques à atomes neutres sont, elles, les plus stables, avec des stabilités relatives de fréquence de l’ordre de 10-16 à un seconde. Parallèlement à la recherche des performances ultimes, il existe également une forte demande, académique et industrielle, pour des horloges atomiques compactes et performantes : les observatoires, accélérateurs de particules, le système GPS, les stations de télécommunication nécessitent l’utilisation d’une référence de fréquence. Aujourd’hui, les horloges atomiques compactes commerciales sont des horloges micro-ondes d’un volume de l’ordre du litre, pour une stabilité de 10-12 à 1s, et des horloges au niveau de 10-13 seront bientôt disponibles. Des horloges plus performantes encore seront nécessaires dans le futur, et il est primordial de démarrer dès aujourd’hui des recherches avec cet objectif.

Le projet MITICC a pour ambition d’amorcer le passage aux fréquences optiques pour les horloges atomiques compactes. Basé sur l’utilisation d’un piège à ions innovant, le dispositif permettra de réaliser une horloge atomique d’un volume d’une centaine de litres, et de stabilité relative de fréquence de 10-14 à une seconde, soit dix fois meilleure que les meilleures horloges compactes actuelles. Ces performances seront garanties par l’utilisation d’ions Yb+ ultra-froids et d’une fréquence d’horloge optique. Le piège à ion sera micro-fabriqué en s’appuyant sur les technologies MEMS ; des électrodes lithographiées à la surface d’une « puce » généreront les champs électriques de piégeage. Le banc optique permettant la manipulation des ions (refroidissement, spectroscopie, détection) sera basé sur des composants fibrés ou en guides d’onde, permettant de réduire considérablement le volume total. Enfin, une enceinte à vide s’appuyant sur les progrès récents des dispositifs de type « puces à atomes » permettra d’isoler l’ion de l’environnement extérieur.

Le projet comprendra la conception et la caractérisation expérimentale du piège. Les durées de vie, de cohérence, et le taux de chauffage des ions dans le piège seront mesurés. Les pièges sur puce ont jusqu’à présent été principalement utilisés dans des expériences d’information quantique. Un dispositif de piégeage compact et compatible avec les exigences de la métrologie sera bénéfique pour les deux champs de recherche.

Le projet, intrinsèquement multidisciplinaire, sera mené au sein du département Temps-Fréquence (TF) de l’institut FEMTO-ST de Besançon, dont l’excellence a été reconnue notamment par l’obtention de plusieurs projets dans le cadre du PIA (Programme d’Investissements d’Avenir). L’Equipex OSCILLATOR-IMP permettra notamment des mesures de bruit de phase d’oscillateurs allant des MHz aux fréquences optiques. FEMTO-ST est également partenaire du Labex FIRST-TF, qui coordonne et augmente la visibilité des projets du domaine Temps-Fréquence en France et en Europe.

L’équipe constituée pour le projet fera appel à des membres des départements TF et MN2S (Micro Nano Sciences et Systèmes) qui recouvrent les compétences requises pour le mener à bien : métrologie (TF), optique (TF, MN2S), MEMS (MN2S), piégeage d’ions (collaboration avec les équipes CIML et IPIQ à Marseille et Paris 7). La puce de piégeage elle-même sera produite au sein de la centrale technologique MIMENTO, plateforme de rang national équipée d’une salle blanche de classe 100 et de matériel de micro fabrication à la pointe de la technologie.

MITICC est donc un projet ambitieux, dont les retombées iront bien au-delà des frontières de la métrologie temps-fréquence.