Évaluation métrologique de l'étalon primaire de fréquence FoCS-2 avec une incertitude de quelques 10^-15

Ce travail de doctorat porte sur l'étude et l'évaluation métrologique de l'étalon primaire de fréquence FoCS-2. Cette horloge atomique, unique en son genre, fonctionne en utilisant un jet continu d'atomes de césium froids. Faisant suite à 20 ans de développement à l'Observatoire de Neuchâtel et au Laboratoire Temps-Fréquence de l'Université de Neuchâtel, FoCS-2 se trouve désormais dans les locaux de l'institut fédéral de métrologie METAS à Berne. Ce manuscrit présente les évolutions et les améliorations qui ont été effectuées sur la fontaine durant ces quatre dernières années ainsi que l'état actuel de l'évaluation métrologique de celle-ci. Le chapitre 3 présente une analyse de l'effet de fuites micro-ondes sur la fréquence de l'horloge ainsi qu'une solution pour supprimer leur effet. Ces fuites, à l'origine de courants de surface sur les câbles coaxiaux utilisés pour alimenter la cavité micro-onde, provoquaient un déplacement de fréquence dépendant de la vitesse de lancement des atomes. Lorsque celle-ci variait de $3,91$ à $4,10$ m/s, une variation de la fréquence relative de l'horloge de $150\times10^{-15}$ était observée. À l'issu de cette étude, une cloche en graphite a été installée entre les atomes de césium et les câbles coaxiaux d'alimentation. Cette cloche, qui a pour rôle de protéger les atomes du champ électromagnétique perturbateur, va ainsi permettre de réduire la dépendance précédemment citée sous le seuil de précision des mesures de la fontaine ($0,5\times10^{-15}$). Cette modification constitue une amélioration majeure de l'étalon primaire de fréquence. Elle a notamment permis la réalisation d'une première évaluation métrologique de la fontaine. Le chapitre 4 présente les résultats de la première évaluation métrologique de FoCS-2 réalisée dans les laboratoires de METAS. Cette évaluation porte notamment sur l'évaluation des déplacements de fréquence dus aux gradients de phase de la cavité ainsi que sur les phénomènes de cohérences atomiques. Ces évaluations reposent aussi sur le développement de nouvelles simulations de Monte-Carlo qui permettent de mieux appréhender et confirmer les résultats expérimentaux obtenus. À ce jour, le budget d'incertitude est de $(66,73\pm1,99)\times10^{-15}$. Ces résultats, forts encourageants, se voient confortés par une mesure comparative de FoCS-2 contre l'échelle de Temps Terrestre (TT) qui donne le résultat de $(-0,56\pm2,27)\times10^{-15}$. Ainsi, une première contribution officielle de FoCS-2 à TAI (Temps Atomique International) est espérée avant la fin de cette année.This work focusses on the study and the metrological evaluation of the FoCS-2 primary frequency standard. This atomic clock, one of a kind, uses a continuous beam of cold cesium atoms. Following 20 years of development in the Observatory of Neuchâtel and the Time and Frequency Laboratory of the University of Neuchâtel, FoCS-2 is now located in the federal institute of metrology METAS in Bern. This thesis presents the different developments and improvements that have been made on the fountain during the last four years as well as the current state of its metrological evaluation. Chapter 3 presents an analysis of the effect of the microwave leakages on the clock frequency and a solution to cancel it. Originally these leakages induce spurious currents on the external surface of the coaxial cables which are used to feed the microwave cavity and induce a frequency shift that depends on the atomic velocity. When it varied from $3.91$ to $4.10$ m/s, a variation of the relative frequency of $150\times10^{-15}$ was observed. At the end of this study, a graphite cylinder was installed between the atomic beam and the coaxial cables. This cylinder aims to protect atoms from the unwanted electromagnetic field and thus will reduce the velocity dependancy below the accuracy threshold of the measurements ($0.5\times10^{-15}$). This modification is a major improvement of the primary frequency standard. It made possible the realization of the a first metrological evaluation of the fountain. Chapter 4 reports the results of the first metrological evaluation of FoCS-2 realized in the METAS laboratories. This evaluation focusses, in particular, on the evaluation of the distributed cavity phase frequency shifts and on atomic coherence effects. These evaluations are also based on new Monte-Carlo simulations which allow a better understanding and confirm the experimental results. To date, the uncertainty budget is $(66.73\pm1.99)\times10^{-15}$. These encouraging results are confirmed by a comparison measurement between FoCS-2 and the Terrestrial Time scale (TT) which gives $(-0.56\pm2.27)\times10^{-15}$. In this way a first contribution to International Atomic Time scale (TAI) is expected before the end of the year