[0001] Le sujet de cette invention est une horloge atomique réglée ou habillée par deux
champs oscillants et un champ statique qui sont appliqués dans un blindage.
[0002] Des horloges atomiques comprennent un milieu gazeux souvent alcalin, un dispositif
d'excitation des atomes de ce gaz tel qu'un laser, apte à les faire passer à des états
d'énergie supérieurs, et un moyen de mesure d'un signal fréquentiel émis par les atomes
en revenant au niveau d'énergie habituel, en utilisant les photons provenant du laser.
[0003] La fréquence des photons restitués par le gaz est définie par la formule ν =ΔE/h,
où ν est la fréquence, ΔE la différence entre les niveaux d'énergie et h la constante
de Planck, égale à 6, 63x10
-34 J.s. Il est connu que cette fréquence est très stable et qu'elle peut donc servir
d'unité de référence au temps. Cela n'est toutefois plus vrai quand on considère la
structure Zeeman de la matière : les niveaux d'énergie apparaissent alors comme composés
de sous-niveaux correspondant à des états un peu différents, qu'on distingue par leur
nombre quantique magnétique m, 0 pour un état de référence du niveau d'énergie et
-1, -2, etc. ou +1, +2, etc. pour les autres. Cela est illustré par la figure 1 dans
le cas de l'élément
87Rb, dont on a figuré la décomposition des deux premiers niveaux d'énergie (de moments
angulaires F=1 et F=2).
[0004] Les niveaux d'énergie sont sensibles au champ magnétique ambiant. Cette sensibilité
est faible (du second ordre) pour le sous-niveau au nombre magnétiques égal à 0, mais
beaucoup plus forte (du premier ordre) pour les autres sous-niveaux : les transitions
faites depuis ou jusqu'à eux produisent des photons dont la fréquence est variable
et ne peut donc pas servir de référence, et seule la portion du signal correspondant
à la transition entre les deux sous-niveaux de nombre magnétique nul est exploitée
pour la mesure, ce qui nuit à sa qualité. La fréquence de référence donnée par l'horloge
est alors la fréquence de la transition hyperfine considérée dans le gaz fo=E
o/h, où E
0 est la différence d'énergie entre les sous-niveaux à m=0 des deux états (F=1 et F=2
dans l'exemple de la figure 1).
[0005] On recourt donc à un blindage magnétique autour de l'horloge pour réduire les perturbations
extérieures, et à l'application d'un champ magnétique constant dans le blindage pour
bien séparer les sous-niveaux, à défaut de garantir un champ magnétique nul. Si le
fonctionnement de l'horloge est rendu plus stable, les sous-niveaux étant alors immobiles
et donc bien définis, l'inconvénient de subir une dispersion des fréquences et de
devoir se contenter d'un signal affaibli n'est pas évité.
[0006] Avec l'invention, on s'efforce de perfectionner les horloges atomiques existantes
en les faisant travailler en champ magnétique nul afin de concentrer les sous-niveaux
à une même valeur d'énergie et d'obtenir un signal comprenant un pic de mesure beaucoup
plus net.
[0007] Il a été proposé de faire participer les sous-niveaux à nombre magnétique non nul
au signal utile en supprimant la dispersion des énergies entre sous-niveaux que le
champ statique provoque. L'article de
Haroche "Modified Zeeman hyperfine spectra observed in H1 and Rb87 ground states interacting
with a nonresonant RF field", Physical Review Letters, volume 24, numéro 16, 20 avril
1970, pages 861 à 864, révèle que l'effet du champ magnétique statique peut être annihilé pour les atomes
excités en appliquant un champ oscillant qui lui est perpendiculaire, à condition
de respecter la double inégalité
où H
0 est l'intensité du champ statique, T le temps de relaxation des atomes, ω la pulsation
du champ oscillant, et γ le moment gyromagnétique. Les différences d'énergie ΔE entre
les sous-niveaux d'un même niveau deviennent alors toutes nulles dans chaque niveau,
les photons restitués par le gaz correspondent tous à la différence d'énergie E
0, l'état de la matière de la figure 2 étant alors obtenu : tout se passe comme si
un champ résultant (fictif) nul existait.
[0008] Cela implique cependant de respecter des rapports déterminés entre l'intensité et
la fréquence du champ oscillant pour obtenir cet effet ; or une grande finesse de
réglage est nécessaire, une perturbation même faible laissant subsister un champ résiduel
fictif non négligeable qui empêche de bénéficier de cette découverte.
[0009] L'invention repose sur un perfectionnement, d'après lequel un second champ oscillant
est ajouté au dispositif. Elle concerne une horloge atomique telle que définie dans
la revendication 1. Dans une variante préférée, une fonction de Bessel de première
espèce d'un rapport rapport
où
Hω et ω sont une intensité et une fréquence du second champs magnétique oscillant, et
γ est ut rapport gyromagnétique, est à un extrémum.
[0010] Le document
WO-A-2005/081 794 décrit une horloge atomique selon le préambule de la revendication indépendante.
[0011] L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures, dont la figure 1 déjà
décrite et la figure 2 déjà décrite illustrent deux diagrammes des niveaux d'énergie
d'un élément chimique utilisé dans une horloge atomique, la figure 3 est une vue schématique
de l'horloge, et la figure 4 est une représentation graphique de fonctions illustrant
l'effet de l'invention.
[0012] La figure 3 est abordée. Le coeur de l'horloge est une cellule 1 remplie d'un gaz
alcalin. Un excitateur 2 transmet de l'énergie à ce gaz sous forme d'un flux de photons
polarisés traversant un polariseur circulaire 3. L'excitateur peut aussi être un champ
de micro-ondes par exemple. Il faudra alors de toute façon injecter un fasceau lumineux
(par exemple de laser) pour détecter les résonances du gaz. Un photo-détecteur 4 recueille
l'énergie lumineuse restituée par le gaz de la cellule 1 et transmet un signal à un
dispositif de comptage 5. Un séparateur de fréquences 6 recueille le signal à la sortie
du dispositif de comptage 5 et transmet ses résultats à un dispositif d'exploitation
7 de l'horloge et un dispositif d'asservissement 8, qui gouverne l'excitateur 2 ainsi
que des moyens d'application de champs magnétiques 9 et 10. Ces derniers émettent
des champs magnétiques à des radiofréquences de pulsations notées Ω et ω,qui sont
perpendiculaires entre elles et de direction dépendant de la polarisation (par exemple
perpendiculaires aux rayons lumineux émis par l'excitateur 2 dans le cas d'une polarisation
circulaire). Ces champs magnétiques oscillants sont appliqués dans un blindage magnétique
11 qui englobe la cellule 1 et les moyens d'applications des champs magnétiques 9
et 10.
[0013] On revient à l'explication théorique des phénomènes. La combinaison d'un champ magnétique
statique d'intensité H
0 et d'un champ de radiofréquences d'intensité H
ω et de pulsation ω respectant les conditions indiquées plus haut a un effet équivalent
sur les atomes à celui d'un champ magnétique statique fictif d'intensité
H'
0 dont les composantes sont égales à H
0·cos α et
sin α respectivement dans la direction du champ de radiofréquences et la direction
perpendiculaire à ce champ,
J0 étant une fonction de Bessel de première espèce et α étant l'angle entre le champ
statique et le champ de radiofréquences. Quand les champs sont perpendiculaires entre
eux, la première composante disparaît et
Or la fonction de Bessel
J0 de première espèce est comprise entre -1 et +1 et s'annule en au moins un point.
Une représentation graphique en est faite à la figure 4 (courbe 12). Des choix judicieux
du rapport
permettent donc d'annuler le champ magnétique résultant fictif
H'
0=0 ; un de ces rapports est égal à 2,4. On voit toutefois que la pente de la fonction
est importante, et qu'une variation de 10% du réglage produit un champ magnétique
résultant dont l'intensité est d'environ 0,1H
0, ce qui est excessif. C'est pourquoi le second champ oscillant est ajouté. Il est
orthogonal au premier champ de radiofréquences et au champ statique, sa pulsation
est Ω et son intensité est H
Ω. La pulsation Ω satisfait aux inégalités suivantes
c'est-à-dire que le second champ de radiofréquences a les mêmes effets que le premier
sur le champ statique mais que sa pulsation est bien moindre que celle du premier
champ de radiofréquences. De plus, il faut remarquer que les fréquences des deux champs
oscillants ne doivent pas être trop grandes : il convient qu'elles ne dépassent pas
(
f o/4) environ, où
fo déjà mentionnée est la fréquence de la transition hyperfine et correspondant au changement
de niveau d'énergie des atomes dans le gaz. Le premier champ magnétique oscillant
subit aussi alors des modifications qui se traduisent par une atténuation de son amplitude
H
Ω par la fonction de Bessel. Le système composé par les deux champs de radiofréquences
et le champ magnétique statique est donc équivalent à un champ de radiofréquences
fictif
et un champ statique fictif
et ce système est lui-même équivalent, d'après ce qui précède, à un champ statique
fictif
H0" atténué par la contribution des deux champs de radiofréquences, d'intensité
[0014] Ce champ peut s'annuler par des réglages particuliers de chacun des champs de radiofréquences.
La figure 4 montre un exemple d'évolution du rapport
en fonction de
(courbe 13)
: s'annule une première fois pour un rapport
Cette valeur dépend de celle de
qui, dans le cas présent, a été choisie à 3,8, c'est-à-dire un extrémum de la fonction
de Bessel de la courbe 12. En se plaçant ainsi, on supprime la sensibilité de
aux variations de
ce qui stabilise son réglage. La sensibilité de
aux variations de
reste toutefois du premier ordre, mais elle est significativement atténuée par rapport
à ce que l'on obtient avec un seul champ de radiofréquences, comme la comparaison
des courbes 12 et 13 le montre, puisque la pente aux croisements de l'axe des abscisses
(aux ordonnées nulles) est réduite d'un facteur qu'on peut démontrer égal à
Une variation de 10% de
autour de la valeur de 6,0 induit un champ fictif
au lieu de 0,1 1
H0 avec un seul champ de radiofréquences : la sensibilité aux défauts de réglage est
réduite de 84%. Par ailleurs,
étant à un extrémum,
n'est pas sensible aux variations de ce rapport autour de ce point de réglage. Il
serait évidemment possible de placer le rapport
à d'autres extrémums de la fonction de Bessel, ce qui aurait donné une sensibilité
aux défauts de réglage encore plus faible.
[0015] Les réglages expérimentaux peuvent légèrement différer des réglages théoriques. Il
est possible de les effectuer en exploitant une information donnée par un champ magnétique
sinusoïdal à basse fréquence υ (très inférieure à 1/2 πT) et colinéaire à H
0. Ce champ induit des perturbations sur le signal délivré par l'horloge aux fréquences
fo±υ. On pourra alors quantifier la sensibilité du signal délivré par l'horloge atomique
aux variations du champ magnétique statique par une détection synchrone à la fréquence
de cette perturbation. Un point de fonctionnement intéressant pourra être obtenu en
réglant d'abord l'amplitude
Hω du champ à la plus haute fréquence (ω/2π) à un maximum de sensibilité du champ statique
H0. L'autre champ de radiofréquences
HΩ sera ensuite ajouté et ajusté pour obtenir un minimum de sensibilité de H
0.
[0016] Le dispositif d'asservissement 8 peut servir à un réglage continu de l'amplitude
du deuxième champ de radiofréquences en fonction de ce principe de conserver un minimum
de sensibilité du signal délivré par l'horloge.
[0017] L'excitateur unique peut être un flux de photons tel qu'un flux de laser émis par
exemple par une diode laser ou une lampe. L'élément gazeux peut consister en du
87Rb, du
133C
s, avec mélange éventuel à un gaz tampon. La matière de la cellule 1 peut consister
en un verre tel que le Pyrex (marque déposée). Les moyens d'application des champs
magnétiques 9 et 10 peuvent consister en des bobines triaxiales, ou en trois bobines
monoaxiales concentriques entre elles. Le photo-détecteur 4 peut être de n'importe
quel genre mesurant un flux de photons en sortie de la cellule 1. Ces photons doivent
être polarisées par exemple par des polariseurs adjoints à l'excitateur. L'asservissement
est accompli par tout matériel connu comprenant une unité de calcul. Les bobines sont
pilotées en courant. L'excitation à la fréquence de résonance est accomplie par une
modulation en amplitude de la diode laser à la fréquence f
0/2, ou par une cavité à micro-ondes résonnant à la fréquence f
0. Un excitateur comprenant deux lasers dont l'écart en fréquence est f
0 peut aussi être envisagé.
[0018] Le blindage étant alors particulièrement efficace, tous les sous-niveaux deviennent
équivalents puisque le champ est nul. On peut alors utiliser d'autres gaz que ceux
employés habituellement dans les horloges atomiques (gaz alcalins), en particulier
les gaz dont la structure hyperfine de leurs atomes ne présente pas de sous-niveaux
à moment angulaire nul, tels que
3He.
[0019] Le blindage magnétique 11 peut consister en cylindres de µ métal imbriqués, avec
éventuellement un cylindre de fer doux. Dans un cas particulier où l'élément
87Rb était employé, la longueur d'onde des photons du laser était de 780nm, une lame
quart d'onde imposait une polarisation circulaire gauche aux photons incidents, le
blindage magnétique 11 consistait en quatre cylindres de µ métal concentriques et
un cylindre de fer doux à l'extérieur, le champ magnétique H
0 était de 100 microgauss dans l'axe principal, γ était égal à 670 kilohertz par gauss,
et les radiofréquences étaient de 3 kilohertz et 20 kilohertz à des amplitudes respectives
de 27 et 114 milligauss afin d'imposer les conditions précédemment identifiées de
validité du procédé.
1. Horloge atomique comprenant une cellule (1) remplie d'un gaz, un excitateur (2) du
gaz pour faire passer ses atomes à un niveau d'énergie supérieur, un détecteur (4)
pour recueillir un signal lumineux traversant le gaz, un blindage magnétique (11)
autour de la cellule, et des moyens d'application de champs magnétiques (9, 10) dont
un champ magnétique statique,
caractérisée en ce que les moyens d'application de champs magnétiques (9, 10) sont agencés pour appliquer
aussi deux champs magnétiques oscillants, perpendiculaires entre eux et au champ magnétique
statique, de sorte qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport
où
HΩ et Ω sont une intensité et une fréquence d'un des champs magnétiques oscillants,
qui a une fréquence plus basse que l'autre, et γ est un rapport gyromagnétique, est
égale à 0.
2. Horloge atomique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage soit d'intensité soit de fréquence des champs
magnétiques oscillants.
3. Horloge atomique selon la revendication 1,
caractérisée en ce qu'une fonction de Bessel de première espèce d'un rapport
où
Hω et ω sont une intensité et une fréquence dudit autre des champs magnétiques oscillants,
et γ est un rapport gyromagnétique, est à un extrémum.
4. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'application de champs magnétiques comprennent au moins trois bobines
monoaxiales concentriques.
5. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'application des champs magnétiques comprennent au moins une bobine triaxiale
magnétique.
6. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le gaz est choisi parmi les gaz alcalins et l'hélium 3.
7. Horloge atomique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les champs magnétiques oscillants ont des fréquences au plus égal au quart d'une
fréquence de transition hyperfine mesurée par l'horloge.
1. Atomic clock comprising a cell (1) filed with a gas, an exciter (2) of the gas to
make its atoms jump to a higher energy level, a detector (4) to collect a light signal
passing through the gas, a magnetic shield (11) around the cell, and means for applying
magnetic fields (9, 10), including a static magnetic field,
characterised in that the means for applying magnetic fields (9, 10) are arranged to also apply two oscillating
magnetic fields, perpendicular to each other and to the static magnetic field, so
that a Bessel function of the first kind of a ratio
where
HΩ and Ω are an intensity and a frequency of one of the oscillating magnetic fields,
which has a frequency lower than the other, and γ is a gyromagnetic ratio, is equal
to 0.
2. Atomic clock according to claim 1, characterised in that it comprises means for regulating either the intensity or the frequency of the oscillating
magnetic fields.
3. Atomic clock according to claim 1,
characterised in that a Bessel function of the first kind of a ratio
where
Hω and ω are an intensity and a frequency of said other oscillating magnetic fields,
and γ is a gyromagnetic ratio, is at an extremum.
4. Atomic clock according to any of claims 1 to 3, characterised in that the means for applying magnetic fields comprise at least three concentric monoaxial
coils.
5. Atomic clock according to any of claims 1 to 3, characterised in that the means for applying magnetic fields comprise at least one triaxial magnetic coil.
6. Atomic clock according to any of the preceding claims, characterised in that the gas is chosen among alkali gases and helium 3.
7. Atomic clock according to any of the preceding claims, characterised in that the oscillating magnetic fields have frequencies at the most equal to the quarter
of a hyperfine transition frequency measured by the clock.
1. Atomuhr, umfassend eine mit einem Gas gefüllte Zelle (1), eine Anregungseinrichtung
(2) für das Gas, um zu bewirken, dass dessen Atome auf ein höheres Energie-Niveau
übergehen, einen Detektor (4), um ein Lichtsignal aufzufangen, welches das Gas durchquert,
eine magnetische Abschirmung (11) um die Zelle herum und Mittel zur Anwendung von
Magnetfeldern (9, 10), von dienen eines ein statisches Magnetfeld ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anwendung von Magnetfeldern (9, 10) eingerichtet sind, um ebenfalls
zwei oszillierende Magnetfelder anzulegen, welche zueinander und zum statischen Magnetfeld
senkrecht sind, so dass eine Bessel-Funktion erster Art für ein Verhältnis γHΩ/Ω gleicil 0 ist, wobei HΩ und Ω eine Intensität und eine Frequenz von einem der oszillierenden Magnetfelder
sind, welches eine niedrigere Frequenz aufweist als das andere, und wobei γ ein gyromagnetisches
Verhältnis ist.
2. Atomuhr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Steuerung/Regelung einer Intensität oder einer Frequenz der oszillierenden
Magnetfelder umfasst.
3. Atomuhr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bessel-Funktion erster Art für ein Verhältnis γHω/ω einen Extremwert annimmt, wobei Hω und ω eine Intensität und eine Frequenz von dem anderen der oszillierenden Magnetfelder
sind, und γ ein gyromagnetisches Verhältnis ist.
4. Atomuhr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet dass die Mittel zur Anwendung von Magnetfeldern wenigstens drei konzentrische monoaxiale
Spulen umfassen.
5. Atomuhr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekenntzeichnet, dass die Mittel zur Anwendung von Magnetfeldern wenigstens eine triaxiale Magnetspule
umfassen.
6. Atomuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ausgewählt ist aus den Alkali-Gasen und Helium-3.
7. Atomuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden MagnetFelder Frequenzen aufweisen, welche höchstens gleich dem
Viertel einer von der Uhr gemessenen Hyperfein-Übergang-Frequenz sind.