Redéfinir la seconde

Des chercheurs du laboratoire XLIM de l’université de Limoges ont réussi à confiner des atomes ultra-froids dans une fibre optique creuse. Contrairement aux fibres optiques de type télécom, ces fibres creuses guident la lumière d’une autre façon puisque la gaine fonctionne comme un miroir.

En effet, la gaine qui entoure le cœur creux représente une bande interdite. Composée d’une grille de silice d’une épaisseur de l’ordre de la centaine de nanomètres, la gaine possède une structure qui permet le phénomène de réflexion : quand un photon est injecté, il n’a nulle part où aller, son seul mouvement possible est le demi-tour. Mais le cœur et la gaine étant deux entités distinctes, il est difficile de travailler avec des modes orthogonaux comme pour un résonateur, ce qui permettrait la cohabitation de deux modes.

Avec une fibre au couplage inhibé, il est possible de cumuler un mode guidé dans le trou et des modes dans la gaine quasi-orthogonaux avec celui du cœur. Le mode du cœur voit alors la gaine comme une bande interdite. 

Aujourd’hui, la seconde est définie à partir des oscillations de l’atome de césium comme étant la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de son état fondamental.

Une précision exceptionnelle mais qui pourrait être rapidement dépassée grâce aux transitions atomiques mesurées à des fréquences plus élevées, comme les fréquences optiques. Les horloges optiques sont au cœur du problème, ou plutôt de la solution en permettant de gagner un facteur  105 en précision. Reste à régler le problème de la fluctuation de la fréquence (f) avec le temps. Ce phénomène ∂f/fdoit impérativement être minimisé.

Une des façons d’y arriver est d’augmenter la densité du milieu. Cela améliore le rapport signal/bruit et offre un meilleur contraste. C’est ce qu’ont réussi à faire les scientifiques du groupe GPPM du laboratoire CNRS XLIM, en collaboration avec ceux de l’université de Tokyo. Ils ont appliqué leur savoir-faire en fibre creuse en fabriquant une fibre optique particulière, la Kagome hollow-core photonic crystal fibre, à l’intérieur de laquelle des atomes de strontium ont été confinés. Cet assemblage d’atomes en file indienne augmente le rapport signal/bruit sans altérer la précision du système.

 Ces travaux parus dans Nature Communications proposent donc une solution pour la fabrication d’horloges optiques compactes.