Advances in atomic fountains

Abstract

This article describes the work performed at BNM-SYRTE (Observatoire de Paris) in the past few years, toward the improvement and the use of microwave frequency standards using laser-cooled atoms. First, recent improvements of the ¹³³Cs and ⁸⁷Rb atomic fountains are described. An important advance is the achievement of a fractional frequency instability of $1.6\times {10}^{\mathrm{-14}}{\tau }^{-1/2}$ where τ is the measurement time in seconds, thanks to the routine use of a cryogenic sapphire oscillator as an ultra-stable local frequency reference. The second advance is a powerful method to control the frequency shift due to cold collisions. These two advances lead to a fractional frequency in stability of $2\times {10}^{\mathrm{-16}}$ at 50 000 s between two independent primary standards. In addition, these clocks realize the SI second with an accuracy of $7\times {10}^{\mathrm{-16}}$, one order of magnitude below that of uncooled devices. Tests of fundamental physical laws constitute an important field of application for highly accurate atomic clocks. In a second part, we describe tests of possible variations of fundamental constants using ⁸⁷Rb and ¹³³Cs fountains. The third part is an update on the cold atom space clock PHARAO developed in collaboration with CNES. This clock is one of the main instruments of the ACES/ESA mission which will fly on board the International Space Station in 2007-2008, enabling a new generation of relativity tests. To cite this article: S. Bize et al., C. R. Physique 5 (2004). Cet article décrit le travail réalisé au BNM-SYRTE (Observatoire de Paris) ces dernières années, en vue de l'amélioration et de l'utilisation d'étalons de fréquence micro-onde fondés sur l'utilisation d'atomes refroidis par laser. Nous décrivons tout d'abord les améliorations récentes des fontaines atomiques à ¹³³Cs et ⁸⁷Rb. Une avancée importante est l'obtention d'une stabilité relative de fréquence de $1.6\times {10}^{\mathrm{-14}}{\tau }^{-1/2}$ où τ est la durée de la mesure en secondes, grâce à l'utilisation routinière d'un oscillateur cryogénique à résonateur en saphir comme référence de fréquence locale ultra-stable. La deuxième avancée est une méthode puissante pour contrôler le déplacement de fréquence lié aux collisions froides. Ces deux progrès conduisent à une stabilité de fréquence de $2\times {10}^{\mathrm{-16}}$ à 50 000 s, une première pour des étalons primaires. De plus, ces horloges réalisent la seconde du système international SI avec une exactitude de $7\times {10}^{\mathrm{-16}}$, une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport aux dispositifs sans refroidissement laser. Les tests des lois fondamentales de la physique constituent une application importante des horloges atomiques ultra-précises. Dans une deuxième partie, nous décrivons la recherche d'une éventuelle variation des constantes fondamentales utilisant des fontaines à ¹³³Cs et ⁸⁷Rb. La troisième partie fait le point sur la réalisation d'une horloge spatiale à atomes froids PHARAO développée en collaboration avec le CNES. Cette horloge est l'un des instruments principaux de la mission spatiale ACES de l'ESA qui volera à bord de la station spatiale internationale en 2007-2008, en vue d'effectuer une nouvelle génération de tests de la Relativité. Pour citer cet article : S. Bize et al., C. R. Physique 5 (2004).