Laser Superradiant Continu – CONSULA

Les technologies quantiques ont le potentiel d'amener des améliorations significatives dans le domaine des mesures de précision. Parmi elles, les lasers superradiants (SR), constitués d'un ensemble atomique placé au sein d'une cavité Fabry-Perot ultra-stable, s'appuient sur les corrélations quantiques pour générer une émission spontanée collective amplifiée. Ils fonctionnent sur un principe d'"horloge atomique active", dans laquelle le rayonnement ultra-stable est directement émis par les atomes et faiblement couplé à la cavité, ce qui le rend essentiellement insensible à un grand nombre de limitations techniques. Leurs propriétés spectrales pourraient ainsi surpasser celles des meilleures horloges atomiques, avec une largeur de raie au mHz et une stabilité remarquable, qui pourraient faire de ces dispositifs les horloges optiques du futur. Néanmoins, leur utilisation métrologique est encore à ses débuts et nécessite des développements. Dans ce projet, nous nous intéressons en particulier à deux problématiques : la réalisation d'un laser SR continu, et l'impact de la décohérence sur ses performances métrologiques.

Notre proposition consiste à réaliser les premiers lasers superradiants continus et à caractériser leur potentiel métrologique. Elle repose sur l'utilisation de deux architectures complémentaires : nous prévoyons de réaliser à FEMTO-ST un laser superradiant continu avec des performances métrologiques qui utilisera des atomes d'ytterbium ultra-froids piégés, et dont la conception s'appuiera sur des études préliminaires réalisées au LPL sur un jet d'atomes de strontium chauds. Pour atteindre le régime continu, deux stratégies seront adoptées : l'expérience à FEMTO-ST s'appuie sur un repompage des atomes et un rechargement séquentiel de la cavité, tandis que dans l'expérience du LPL, la cavité sera rechargée en continu par le jet d'atomes de strontium préalablement excités.

Nous explorerons notamment les thématiques liées à la compétition entre l'établissement de la cohérence, nécessaire pour observer de l'émission superradiante, et la décohérence induite par le repompage ou le mouvement des atomes rechargeant la cavité.
Nous caractériserons aussi la stabilité relative de fréquence qui aura été atteinte par les deux dispositifs. Le dispositif du LPL devrait permettre d'observer un affinement d'un facteur 100 de la raie d'intercombinaison du strontium et atteindre une largeur de raie court-terme de l'ordre de 100 Hz, tandis que l'objectif de ce projet à FEMTO-ST est d'atteindre une largeur de l'ordre du Hz (la limite fondamentale de l'ordre du mHz fera l'objet de travaux ultérieurs). Les perspectives d'applications métrologiques des deux systèmes seront ainsi évaluées et permettront de guider des travaux futurs.

La complémentarité de ces deux dispositifs donnera accès à une large gamme de paramètres, permettant une vision étendue et appronfondie des régimes de fonctionnement du laser superradiant. Par ailleurs, notre consortium est constitué d'experts en corrélations quantiques et en métrologie. Cette mise en commun de compétences provenant de différents domaines scientifiques sera un atout majeur pour l'étude de ces systèmes dissipatifs fortement corrélés et à haut potentiel métrologique.