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ETUDES DE TRANSITIONS ATOMIQUES PERMISES ET INTERDITES PAR SPECTROSCOPIE LASER EN VUE DUNE APPLICATION AUX HORLOGES OPTIQUES Soutenance HDR de Thomas Zanon-Willette Spcialit: Physique atomique 1

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En mmoire de Norman Ramsey dcd le 04 novembre 2011 The Nobel Prize in Physics 1989 was divided, one half awarded to Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks. 2

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Atomes Molcules 2005 2014: Spectroscopie des frquences micro-ondes (Horloge 133 Cs) Spectroscopie des frquences optiques (Horloge 87/88 Sr) Gaz quantiques dgnrs (BEC 52 Cr) Sources laser non-linaires (OPOs) Spectroscopie molculaire IR et instrumentation laser (O 3 ) Nuage datomes froids de 87 Sr Liquide de O 3 3

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Plan de lexpos Fonctionnement dune horloge atomique Retour sur le csium 133 Cs: une rsonance permise Fermions/Bosons pour une horloge optique .. Le strontium fermionique 87 Sr: une rsonance faiblement permise Le strontium bosonique 88 Sr: une rsonance interdite Conclusions et perspectives en physique atomique Mon projet de recherche en physique molculaire 4

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Fonctionnement dune horloge atomique Cavit lectromagntique ou laser mthode dinterrogation systme 2 niveaux dnergie avec un atome prpar dans un tat initial raliser la transition dhorloge pour avoir une rponse atomique 5

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Les rsonances atomiques permises 6

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Retour sur le csium 133 Cs I. Structure fine, hyperfine et magntique 1 lectron de valence 7 Influence de B ?

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Retour sur le csium 133 Cs II. Formule de Breit-Rabi de ltat fondamental 2 S 1/2 I. RabiG. Breit Zeeman quadratique + - 8

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CGPM 1967: La seconde est la dure de 9 192 631 770 priodes de la radiation correspondant la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de ltat fondamental de latome de csium 133 . Aujourdhui ralise avec une exactitude de quelques 10 -16 A. Clairon Fontaine atomique de csium = 0.9 Hz Q = 10 10 Retour sur le csium 133 Cs III. Ltalon de frquence micro-onde J. Zacharias Double passage dans une cavit lectromagntique systme 2 niveaux dnergie avec un atome prpar dans un tat initial rponse atomique 9

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Pourquoi remplacer un alcalin par un alcalino-terreux ? Alcalino-terreux ( 87 Sr): Spin nuclaire et J=0 Temprature Doppler et sub-Doppler Longueur donde magique dans le visible + rgime Lamb-Dicke temps dinterrogation trs long sans perturbation de la transition dhorloge Facteur de qualit lev Alcalino-terreux ( 87 Sr): Spin nuclaire et J=0 Temprature Doppler et sub-Doppler Longueur donde magique dans le visible + rgime Lamb-Dicke temps dinterrogation trs long sans perturbation de la transition dhorloge Facteur de qualit lev Alcalin ( 133 Cs): Spin lectronique J=1/2 + spin nuclaire Temprature Doppler Gomtrie de type fontaine temps dinterrogation limit Facteur de qualit limit Alcalin ( 133 Cs): Spin lectronique J=1/2 + spin nuclaire Temprature Doppler Gomtrie de type fontaine temps dinterrogation limit Facteur de qualit limit Aspect fondamental: la structure magntique ! Dterminer la sensibilit des niveaux atomiques de lhorloge au champ magntique directeur: 133 Cs connu depuis 1931, 87 Sr non matris en 2005 1 Hz 10 GHz 10 mHz 430 000 GHz 87 Sr : I = 9/2 Interaction avec le spin nuclaire entre 3 P 0 et 3 P 1 : transition dhorloge (J=0 J=0) faiblement permise type dipolaire lectrique Largeur 1 mHz Abondance isotopique 10% 88 Sr : I = 0 Pas dinteraction avec le spin nuclaire entre 3 P 0 et 3 P 1 : transition dhorloge interdite 1 photon mais possible E1M1 Largeur