Horloge à réseau optique au Strontium : une 2ème génération d'horloges à atomes froids

Atomic fountains, based on a microwave transition of Cesium or Rubidium, constitute the state of the art atomic clocks, with a relative accuracy close to 10^-16. However, at present, it appears that it will be difficult to go significantly beyond this level with this kind of device. The use of an optical transition, the other parameters being unchanged, gives hope for a 4 or 5 order of magnitude improvement of the stability and of the relative uncertainty on most systematic effects. As for motional effects on the atoms, they can be controlled on a very different manner if they are trapped in an optical lattice instead of experiencing a free ballistic flight stage, characteristic of the fountains. The keystone of this approach lies in the fact that the trap can be operated in such a way that a well chosen and weakly allowed J = 0 -> J = 0 clock transition can be set free of light shift effects. In this respect, the strontium atom is one of the most promising candidates, the 1^S_0 -> 3^P_0 transition has a natural width of 1 mHz, and several other easily accessible transitions can be used to efficiently laser cool atoms down to 10 microK. This thesis demonstrates the experimental feasibility of an optical lattice clock based on the strontium atom, and reports on a preliminary evaluation of the relative accuracy with the fermionic isotope 87^Sr, at a level of a few 10^-15.Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^-16. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type. L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0->J = 0. A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1^S_0 -> 3^P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 microK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87^Sr, à un niveau de quelques 10^-15