Les horloges de réseau optique sont des dispositifs de chronométrage émergents basés sur des dizaines de milliers d'atomes ultracold piégés dans un réseau optique (c'est-à-dire une grille de lumière laser). En oscillant entre deux états quantiques distincts à une fréquence particulière, ces atomes pourraient aider à mesurer le temps avec une précision beaucoup plus élevée que les horloges existantes, ce qui serait très avantageux pour l'étude de divers processus et systèmes physiques fondamentaux.
Des chercheurs de Jila, Institut national des normes et de la technologie et de l'Université de Chicago, ont récemment développé une horloge de réseau optique basée sur les atomes de strontium qui gardaient du temps avec une précision et une précision remarquables. La nouvelle horloge optique du strontium, introduite dans un article publié dans Lettres d'examen physiquepourrait ouvrir de nouvelles possibilités de recherche visant à tester les variations des constantes de physique fondamentales et le moment des phénomènes physiques spécifiques.
« Nous avons poussé les performances de l'horloge de réseau optique », a déclaré Kyungtae Kim, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Grâce à une mise à niveau majeure de 2019 à 2021, nous avons démontré une capacité d'enregistrement de mesure de fréquence différentielle, atteignant une résolution du décalage vers le rouge gravitationnel en dessous de l'échelle de 1 mm, ainsi qu'une précision d'enregistrement (jusqu'à ce juillet) comme standard de fréquence. Pour pousser plus loin les performances, il faut comprendre et modéliser le système actuel. Ce travail fournit un aperçu détaillé de l'opération actuelle. »
Les performances des horloges de réseau optique dépend considérablement de la cohérence de leurs atomes sous-jacents, également appelés cohérence atomique. C'est essentiellement le temps pour lequel les atomes peuvent conserver leurs oscillations quantiques, sans être dérangés par le bruit.
Un objectif clé des travaux récents de Kim et de ses collègues était d'identifier les mécanismes et les processus physiques qui limitent la cohérence atomique des horloges de réseau optique. Cela leur permettrait à son tour d'améliorer la cohérence atomique et la stabilité de leurs horloges.
« Pour améliorer la stabilité de la mesure de la fréquence, nous voulons que de nombreux atomes réduisent le bruit de projection quantique (similaire à la réduction de l'incertitude statistique dans le tournage des pièces) », a expliqué Kim.
« L'augmentation du nombre d'atomes, cependant, améliore également les déplacements de fréquence collisionnels et la diffusion de phase, qui à leur tour limite le temps de cohérence et la précision. Une caractéristique de conception clé de notre horloge est son grand volume de piégeage, atteint avec une cavité optique, ce qui réduit la densité atomique. »
Kim et ses collègues ont aligné le réseau optique dans leur horloge le long de la direction de la gravité, car cela a créé un potentiel de réseau incliné (c'est-à-dire un « escalier » incliné de sites de piégeage). En raison d'un effet connu sous le nom de localisation Wannier-Stark, ce potentiel de réseau incliné rend plus difficile pour les atomes de se déplacer, même lorsqu'ils sont piégés dans des sites de piégeage plus peu profonds. Cette horloge en treillis de profondeur peu profonde utilise un potentiel de piégeage optique d'environ un cinquième à un dixième d'une horloge de réseau traditionnelle.
Les chercheurs ont ensuite entrepris d'explorer la durée du nombre différent d'atomes piégés dans le réseau optique sont restés synchronisés (c'est-à-dire leur temps de cohérence) et à quelle vitesse ils se sont décomposés de «l'état d'horloge» (c'est-à-dire leurs taux de décroissance de la population). Pour ce faire, ils ont utilisé une technique connue sous le nom de spectroscopie d'imagerie, qui peut être utilisée pour étudier comment les systèmes physiques réagissent à la lumière et capturent leur configuration sous-jacente ou des caractéristiques spatiales dans une carte microscopique.
« Les atomes dans le même site de réseau se comportent que les fermions identiques et n'interagissent que via les interactions des ondes P », a déclaré Kim. « Cependant, les atomes peuvent toujours interagir par des collisions d'ondes S à partir de deux sources: les interactions entre différents sites car les atomes de différents sites éprouvent des phases laser différentes; et les interactions avec les atomes de spectateurs créés lorsque les photons de réseau dispersent les atomes dans d'autres états de spin nucléaire. »
L'horloge de réseau optique du strontium développé par cette équipe de chercheurs a été constatée pour obtenir un temps de cohérence atomique record (t₂ *) de 118 (9) secondes et une instabilité atomique de 1,5 × 10–18 à 1 seconde. Ce système de maintien du temps pourrait être utilisé pour mener de futures études de physique fondamentale, tout en informant potentiellement la réalisation d'autres horloges de réseau optique très précises et stables.
« Nous avons également identifié les interactions atomiques qui limitent les performances », a déclaré Kim. « Aux profondeurs de réseau peu profonde, les interactions inter-ontes S sont dominantes, tandis que les profondeurs du réseau profond, les interactions des ondes S avec les atomes de spectateurs générées par la diffusion des photons de réseau deviennent la principale limitation. La reconnaissance de ces régimes distincts clarifie exactement quel mécanismes doit être traité pour prolonger le temps de cohérence. »
Dans leur article, Kim et ses collègues ont également découvert des processus physiques qui peuvent limiter le temps de cohérence des horloges de réseau optique, dont l'une est l'interaction entre les sites de réseau adjacents. Ils développent désormais une stratégie qui peut supprimer ces effets et permettre ainsi des temps de cohérence encore plus longs dans des horloges à forte densités atomiques.
« Plus important encore, nous sommes maintenant enthousiasmés par la perspective de combiner l'interférométrie des atomes (pour la gravimétrie) avec des horloges atomiques (pour les mesures de décalage vers le rouge) dans la même plate-forme expérimentale », a ajouté Kim. « Les méthodes démontrées ici ont déjà été appliquées dans ce sens et fournissent des conseils précieux pour les développements futurs. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
