Construction d'une fontaine double à atomes froids de 87Rb et 133Cs ; Etude des effets dépendant du nombre d'atomes dans une fontaine

Thèse co-dirigée par Christophe Salomon et André Clairon ;Thèse effectuée dans le cadre de la collaboration entre le Laboratoire Kastler Brossel et le Laboratoire primaire du Temps et des Fréquences, du Bureau National de MétrologieThe definition of the second is based on the cesium atom. To date the best clocks are cold cesium atom fountains. They realize the second with an accuracy of 10^{-15}. Their stability, ultimately limited by quantum projection noise, is typically 6 x 10^{-14}\tau^{-1/2} for4 x 10^5 detected atoms, and reaches 6 x 10^{-16} after 3 hours of integration. In these conditions the interactions between cold atoms shift the clock frequency by about 3 x 0^{-14}. Technically it is difficult to correct this shift at the 10^{-16} level. This PhD report shows that^{87}Rb is an interesting alternative to Cs, since its collisional shift is nearly 100 times lower. Firstly we caracterize the performance of the ^{87}Rb fountain that we have constructed during this thesis. Then we model the atom number dependent effects in fountains: the collisional shift and the frequency pulling by the microwave cavity. Both effects are measured simultaneously using a differential method. Modeling the atomic cloud evolution in the fountain allows us to compare our measurements with the theoretical predictions for the s-wave scattering lengths. Comparing the hyperfine frequencies of Rb and Cs in independent fountains allows us to test the drift of the fine structure constant \alpha at the level of 7 x 10^{-15}.year^{-1}. In order toimprove this test we have constructed a dual fountain that can operate with both Rb and Cs. The technical improvements made to this fountain, together with a new procedure for measuring the collisional shift of Cs, should allow us to explore the 10^{-16} range of accuracy for both alkalis.La définition de la seconde est basée sur l'atome de césium. A ce jour, les meilleures horloges sont des fontaines à atomes froids de césium. Elles réalisent la seconde avec une exactitude de 10^{-15}. Leur stabilité, limitée de manière ultime par le bruit de projection quantique, vaut typiquement 6 x 10^{-14}\tau^{-1/2} pour 4 x 10^5 atomes détectés, et atteint 6 x 10^{-16} en 3 heures d'intégration. Dans ces conditions, les interactions entre atomes froids déplacent la fréquence de l'horloge d'environ 3 x 10^{-14}. Ce déplacement est techniquement difficile à corriger au niveau de quelques 10^{-16}. Ce travail de thèse montre que l'utilisation du ^{87}Rb est une alternative intéressante au Cs, puisque son déplacement collisionnel est près de 100 fois plus petit. Dans un premier temps, nous caractérisons les performances de la fontaine à ^{87}Rb construite pendant ce travail de thèse. Puis, nous modélisons les effets dépendant du nombre d'atomes dans les fontaines : le déplacement collisionnel et l'entraînement de fréquence par la cavité micro-onde. Ces deux effets sontmesurés simultanément par une méthode différentielle. La modélisation de l'évolution du nuage atomique dans la fontaine permet de confronter nos mesures avec les prédictions théoriques sur les longueurs de diffusion en onde "s". Par ailleurs, la comparaison des fréquences hyperfines du Rb et du Cs dans des fontaines indépendantes nous a permis de réaliser un test de la dérive de la constante de structure fine \alpha au niveau de 7 x 10^{-15}.an^{-1}. Afin d'améliorer ce test, nous avons construit une fontaine pouvant fonctionner simultanément au Rb et au Cs. Les améliorations techniques apportées sur cettehorloge, conjointement à une nouvelle procédure de mesure du déplacement collisionnel du Cs, devraient permettre d'explorer la gamme d'exactitude des 10^{-16} pour ces deux alcalins