Stabilisation de la fréquence d’une horloge atomique en regard des variations du champ C

Aperçu

Il est possible de mettre la fréquence d’une horloge atomique à l’abri des fluctuations du champ C en appliquant un champ magnétique de radiofréquences qui lui est perpendiculaire. Cette solution élégante au problème que pose la variation du champ C peut être appliquée aux horloges atomiques par l’intégration d’une bobine qui engendrera le champ magnétique perpendiculaire voulu et par l’addition d’un circuit électronique qui enverra des signaux radiofréquences à la bobine. En divisant les atomes selon leur niveau Zeeman pour qu’un petit nombre d’entre eux suivent leur trajectoire dans un état fortement influencé par le champ C, mais dans le sens opposé à celui emprunté par la majorité des autres atomes, on annule les fluctuations nominales du champ C. Les horloges atomiques qui bénéficieraient le plus de cette technologie sont celles qui recourent à la technique de Ramsey des champs électromagnétiques séparés dans le temps, avant et après la trajectoire, pour établir leur fréquence d’après le nombre d’atomes passant d’un état d’excitation à un autre, sans dépendance de premier rang avec le champ magnétique. Bref, cette technologie convient à la plupart des horloges atomiques au Cs ou au Ru.

Transfert de technologie

Cette technologie pourrait être exploitée sous licence ou être perfectionnée dans le cadre d’un accord de collaboration en recherche avec le CNRC. Le CNRC continue de la perfectionner et procède à d’autres tests plus poussés. Prière de mentionner le numéro d’identification 12382 en faisant référence à cette possibilité d’affaires.

Applications commerciales

Le marché des horloges atomiques est bien implanté. L’invention du CNRC marque le prochain progrès d’importance dans ce domaine. En protégeant les horloges contre l’instabilité du champ C, on en accroîtra la fiabilité et les horloges fonctionneront plus longtemps, et dans des conditions plus difficiles.

Fonctionnement

Les horloges atomiques maintiennent leur stabilité en asservissant la fréquence de leur oscillateur à celle de la transition atomique choisie. Puisque la fréquence de la transition atomique est immuable, reproductible et universelle, on recourt aux horloges atomiques pour mesurer les fréquences et le passage du temps.

Pour que l’horloge atomique fonctionne correctement, on doit appliquer un champ magnétique (le champ C) aux atomes. Un problème que rencontrent couramment les horloges atomiques actuelles est que le champ C fluctue, ce qui modifie la vitesse de l’horloge. Le champ C fluctue pour diverses raisons, notamment le vieillissement et l’hystérèse du matériau servant de bouclier, les variations de la température ambiante, celles du champ magnétique extérieur, la magnétisation des boucliers, les chocs mécaniques et le vieillissement des circuits électroniques. Le fait que le champ C ne soit pas parfaitement uniforme dans l’espace soulève un autre problème, car il est difficile d’évaluer exactement la fréquence de l’horloge. Les inégalités spatiales du champ C peuvent dériver d’un manque d’uniformité dans le matériau du bouclier, des compromis qu’a exigés la conception de l’horloge (en raison du manque d’espace et des orifices d’accès, par exemple) et de la présence d’autres matériaux magnétiques.

Puisque les erreurs de fréquence de l’horloge atomique dépendent fortement du champ C, on s’est efforcé d’atténuer cette sensibilité au champ magnétique de diverses manières. Les méthodes envisagées peuvent être réparties d’après le moyen utilisé pour réduire la sensibilité au champ magnétique et chacune présente des lacunes.

La technologie proposée par le CNRC stabilise la fréquence de l’horloge magnétique en la mettant à l’abri des fluctuations et du manque d’uniformité du champ C. Pour cela, on crée un champ de radiofréquences perpendiculaire au champ C, ce qui engendre une transition cohérente de la population d’atomes entre les états de Zeeman. Ce champ compense entièrement le décalage de fréquence quadratique de la transition atomique pour une zone définie par la trajectoire des atomes qui passent d’un niveau d’excitation radiofréquence à l’autre. Cette méthode à correction aval compense totalement la dépendance de la fréquence au champ C.

Avantages

La technologie mise au point par le CNRC stabilise la fréquence des horloges atomiques en la mettant à l’abri des fluctuations et des inégalités du champ C. Par conséquent, elle minimise les restrictions associées à la conception de l’horloge et prolonge la vie de cette dernière.

Brevets

Dossier du CNRC n°12382  : https://www.google.ca/patents/US20130335154 (en anglais seulement)

Breveté en Grande-Bretagne; brevet reconnu aux États-Unis

Renseignements

Pour en savoir plus sur cette technologie, veuillez communiquer avec :

Martin Rutter, Conseiller aux affaires du portefeuille
Téléphone :  613-990-6439
Courriel Martin.Rutter@nrc-cnrc.gc.ca

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