Nouvelle technique de refroidissement de Sisyphe pourrait améliorer la précision des horloges atomiques

Le 29 août 2024 Ce article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en veillant à la crédibilité du contenu : 

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Phys.org 

Des chercheurs du groupe des horloges optiques à atomes neutres de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), de l'Université du Colorado et de l'Université d'État de Pennsylvanie ont récemment mis au point une nouvelle technique de refroidissement sub-recoil de Sisyphe qui pourrait contribuer à améliorer la précision des horloges atomiques. 

Cette technique, décrite dans un article publié dans Physical Review Letters, a été initialement utilisée pour créer une horloge à réseau optique à ytterbium hautement performante, mais elle pourrait également contribuer au développement d'autres horloges et outils de métrologie quantique. "La spectroscopie de précision est un domaine de recherche très vaste avec une longue histoire", a déclaré Chun-Chia Chen, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Les physiciens atomistes mènent des études de spectroscopie sur des objets allant des atomes et des ions aux molécules et plus encore. 

Fait surprenant, la spectroscopie de haute précision a également été réalisée sur de l'anti-matière, qui est un domaine de recherche actif actuellement exploré au CERN." En essayant d'améliorer l'exactitude et la précision des horloges atomiques, Chen et ses collègues du NIST sont tombés sur un article qui exposait un nouveau schéma pour le refroidissement laser de Sisyphe de l'hydrogène et de l'anti-hydrogène. S'inspirant de ce schéma, ils ont entrepris de concevoir une approche de refroidissement similaire qui pourrait faire progresser les performances de leurs horloges atomiques. 

Les horloges atomiques sont des dispositifs de chronométrage qui font référence à une fréquence de mouvement oscillatoire des atomes. Le fonctionnement de ces horloges repose sur des techniques de spectroscopie de haute précision adressant des états atomiques avec de longues durées de vie et une largeur de raie de transition ultra-étroite entre ces états, qui est généralement au niveau du sous-hertz. 

"Traditionnellement, nous utilisons cette caractéristique de spectroscopie ultra-étroite pour des procédés de stabilisation de fréquence, qui constitue l'idée centrale des étalons de fréquence de pointe et des horloges atomiques optiques actuelles", a expliqué Chen. "Cependant, avant d'exécuter une spectroscopie de haute précision, nous utilisons l'excitation ultra-étroite conjointement avec un autre outil d'ingénierie quantique pour la mise en œuvre du refroidissement de Sisyphe." 

Essentiellement, Chen et ses collègues ont stratégiquement modifié le décalage d'énergie de leur état d'horloge excitée selon un schéma périodiquement modulé. 

Cette méthode leur a permis de contrôler précisément l'endroit où se produit une excitation de ligne d'horloge dans leur processus de refroidissement de Sisyphe. "Plus précisément, nous configurons la condition d'excitation de telle sorte qu'elle se produise de préférence à la position correspondant au bas du paysage de potentiel périodique", a déclaré Chen. 

"Une fois excités, les atomes perdent leur énergie cinétique en escaladant le potentiel et sortent préférentiellement du paysage potentiel loin du minimum du potentiel. Le refroidissement est réalisé après avoir grimpé répétitivement le potentiel énergétique." 

Dans le cadre de leur étude récente, les chercheurs ont démontré leur schéma de refroidissement de Sisyphe en exploitant la transition ultra-étroite d'une horloge à réseau optique à base d'ytterbium. Cependant, la même approche devrait théoriquement être applicable à d'autres systèmes équipés de transitions à largeur de raie étroite. "Pendant les deux dernières décennies, le but de réaliser une spectroscopie d'horloge de haute précision d'atomes neutres a été le mieux accompli en créant des conditions de piégeage identiques pour les atomes dans l'état fondamental et l'état d'horloge excitée", a expliqué Chen. 

"Cela est réalisé en concevant un piège formé par des lasers en une onde stationnaire et qui fonctionne à ce que nous appelons une longueur d'onde magique. Dans cette situation, une différence de potentiel de piégeage ressentie par les atomes dans les deux états atomiques est essentiellement un ennemi de la réalisation d'une spectroscopie d'horloge à haute précision." La plupart des efforts récents visant à faire progresser la spectroscopie d'horloge ont donc exploré des stratégies pour minimiser la différence de potentiel de piégeage entre l'état fondamental et l'état d'horloge excitée. 

Pour relever ce défi, Chen et ses collègues se sont concentrés sur l'amélioration du refroidissement des échantillons avant d'effectuer la spectroscopie d'horloge à haute précision. "Pour réaliser un refroidissement amélioré pendant la préparation des échantillons avant d'exécuter la spectroscopie d'horloge, nous avons introduit momentanément un décalage d'état excité dépendant de l'espace, qui a introduit plus, pas moins, de différence de potentiel de piégeage pour les deux états d'horloge", a déclaré Chen.

En procédant ainsi, nous avons pu réaliser le mécanisme de refroidissement de Sisyphe, ce qui a ensuite amélioré l'état de l'échantillon pour une spectroscopie d'horloge meilleure avec moins de différence de potentiel de piégeage. De plus, les températures plus basses nous ont permis d'utiliser des pièges plus superficiels sur les atomes, ce qui a également réduit cette différence.

La nouvelle technique de refroidissement de Sisyphe développée par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt contribuer à améliorer la précision d'autres systèmes d'horloge optique. De plus, elle pourrait être utilisée pour refroidir des échantillons pour d'autres technologies émergentes, y compris le traitement de l'information quantique et les systèmes informatiques. Dans leurs prochaines études, ces chercheurs prévoient de continuer à utiliser leur technique de refroidissement de Sisyphe pour améliorer la précision des horloges à réseau optique développées au NIST.

"Le refroidissement supplémentaire nous permet de créer des ensembles atomiques avec des conditions plus uniformes à l'intérieur du piège laser en onde stationnaire de longueur d'onde magique", a ajouté le chercheur Andrew Ludlow. "Cela nous permet à son tour de caractériser plus soigneusement et précisément les petits effets du laser de piégeage sur la fréquence de l'horloge.

"De plus, les températures plus basses nous permettent de maintenir les atomes dans des pièges laser encore plus faibles, où les effets de piégeage indésirables sont encore plus petits. Après quelques mesures soigneuses sur lesquelles nous travaillons actuellement, tout cela se traduira par une précision accrue de l'horloge."

Plus d'informations : Chun-Chia Chen et al, Clock-Line-Mediated Sisyphus Cooling, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.053401. Sur arXiv : DOI : 10.48550/arxiv.2406.13782

Informations sur la revue : Physical Review Letters, arXiv

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