LE LASER LE PLUS STABLE JAMAIS CONSTRUIT

Les meilleures horloges atomiques comptent les oscillations de la lumière absorbée par des atomes. Pour cela, il leur faut un laser dont la fréquence ne bouge presque pas, capable de sonder des transitions atomiques extrêmement fines. Les lasers les plus stables d’aujourd’hui sont verrouillés sur une cavité en silicium cryogénique : deux miroirs tenus à distance par un barreau de silicium monocristallin, refroidi très en dessous de la température ambiante. La lumière qui fait des allers-retours entre les miroirs ne résonne qu’à des fréquences très précises, et le laser est contraint de les suivre.

Ces cavités atteignent déjà une stabilité relative de l’ordre de 10⁻¹⁷ — la fréquence varie d’environ un cent-millionième de milliardième de sa valeur. Dans beaucoup d’expériences, le laser reste l’une des principales sources de bruit — un laser plus stable améliore donc tout de suite la mesure.

Des miroirs qui frémissent

Ce qui limite les meilleures cavités en silicium, c’est le bruit thermique brownien des revêtements des miroirs : les fines couches réfléchissantes ne sont jamais parfaitement immobiles, parce que la chaleur fait s’agiter leurs atomes. Ce mouvement infime change la longueur de la cavité, et avec elle la couleur de la lumière.

Ben Lewis, Jun Ye et leurs collègues de JILA (NIST et université du Colorado, Boulder), avec des physiciens de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Braunschweig, en Allemagne, ont apporté deux changements aux précédentes cavités en silicium de 21 centimètres :

• Plus froid. Les anciens systèmes fonctionnaient à 124 K, l’une des températures où le silicium cesse de se dilater ou de se contracter avec la chaleur. La nouvelle cavité, baptisée Si7, fonctionne soit à 16 K, l’autre température de ce type, soit à 6 K, le plus froid que son cryostat puisse atteindre.
• Un faisceau plus large. Avec un miroir moins bombé (rayon de courbure de 10,2 mètres au lieu de 1 mètre), la tache de lumière sur les miroirs passe de 480 à 850 micromètres de rayon — agrandir le faisceau est l’un des moyens connus de réduire le bruit thermique.

Ensemble, ils divisent le bruit thermique par trois à cinq par rapport aux anciens systèmes.

Combattre les vibrations dans le froid

Ces deux changements rendent d’ordinaire une cavité plus sensible aux vibrations, et atteindre 6 ou 16 K exige un cryoréfrigérateur à hélium — une machine qui vibre. L’équipe l’a posé au sol, à côté de la table optique, et fait monter l’hélium froid jusqu’à l’expérience par des tuyaux. La cavité, tenue en son milieu par trois sphères de rubis de 6 millimètres, repose sur une table d’isolation active des vibrations.

Le froid pose un autre problème : près du zéro absolu, les matériaux stockent très peu de chaleur, et les écarts de température sont difficiles à amortir. La solution : l’erbium, qui à 16 K stocke 6 fois plus de chaleur par unité de volume que l’acier inoxydable et 13 fois plus que le cuivre. Plusieurs écrans et masses d’erbium ralentissent toute variation de température jusqu’à une échelle d’environ quatre jours. Le capteur de régulation est tenu à 16,183 K, et un capteur indépendant reste à moins de 100 millionièmes de degré de sa consigne.

Le record

Comparé à deux autres cavités en silicium et à une horloge atomique au strontium, le laser atteint :

• à 6 K, une stabilité relative de 7 × 10⁻¹⁸ entre 2 et 50 secondes de moyenne — un nouveau record : des fluctuations d’environ 1,4 millième de hertz seulement — et une largeur de raie (l’étalement de la fréquence du laser lui-même) de 2,5 millihertz, sur une lumière de 194 térahertz ;
• à 16 K, 9 × 10⁻¹⁸, une raie de 2,9 mHz, mais un meilleur comportement sur plusieurs jours.

Le bruit baisse quand la cavité refroidit : la preuve que le laser a atteint la limite visée, le bruit thermique des revêtements, et non les vibrations ou l’électronique.

Sur deux séries de 14 et 7 jours, l’horloge au strontium a suivi la lente dérive de la cavité : moins de 4 microhertz par seconde (environ un tiers de hertz par jour), comparable à un maser à hydrogène (l’oscillateur de référence des laboratoires du temps) et dix fois moins que les cavités en silicium à 124 K. La cavité a atteint une dérive aussi faible neuf mois seulement après sa mise en froid ; les cavités à 124 K ont mis dix ans à se stabiliser à la leur.

Regarder les atomes pendant plusieurs secondes

Le laser est déjà au travail. Aux commandes de l’horloge à réseau optique au strontium (des atomes piégés dans un quadrillage de lumière laser), il permet de sonder les atomes plus de 10 secondes — et plus on sonde longtemps, plus la raie des atomes est fine, donc plus l’horloge trouve son centre avec précision. Après 12 secondes, le signal d’interférence (les franges de Ramsey) garde encore 75 % de son contraste, et une seule impulsion de 12,4 secondes donne une raie large de 64 millihertz seulement. L’état excité du strontium 87 utilisé par l’horloge vit environ 170 secondes — la prochaine frontière pour les temps d’interrogation.

Vers 10⁻¹⁸

Le nouveau laser remplacera la précédente référence de JILA et, selon les auteurs, permettra à toutes les horloges optiques du réseau de Boulder d’atteindre une précision donnée jusqu’à dix fois plus vite. Des miroirs à revêtements cristallins pourraient abaisser le bruit thermique vers 1,5 × 10⁻¹⁸ à 6 K ; des cavités plus froides et plus longues ou des faisceaux plus larges, jusqu’à 1 × 10⁻¹⁸ ou moins. Un mystère demeure : un bruit supplémentaire au-delà de 100 secondes, dont aucun capteur à l’intérieur du cryostat ne peut encore désigner la source.