**Revue française de métrologie


n° 29, Vol. 2012-1, 3-11, DOI : 10.1051/rfm/2012004

Effet favorable des interactions atomiques sur le temps de cohérence des horloges à atomes piégés

Beneficial effect from atomic interactions on the coherence time of trapped atom clocks

 

Christian DEUTSCH1, Fernando RAMIREZ-MARTINEZ2, Clément LACROÛTE2, Wilfried MAINEULT2, Friedemann REINHARD1, Tobias SCHNEIDER1, Jean-Noël FUCHS3, Frédéric PIÉCHON3, Franck LALOË1, Jakob REICHEL1 et Peter ROSENBUSCH2

1- Laboratoire Kastler Brossel, ENS, UPMC, CNRS, 24 Rue Lhomond, 75005 Paris, France.
2- LNE-SYRTE, Observatoire de Paris, UPMC, CNRS, 61 Avenue de l’Observatoire, 75014 Paris, France. peter.rosenbusch@obspm.fr.
3- Laboratoire de Physique des Solides, CNRS UMR 8502, Université Paris-Sud, 91405 Orsay Cedex, France.

Résumé : Nous interrogeons par spectroscopie Ramsey l’état fondamental d’un ensemble ultrafroid d’atomes de rubidium (87Rb) piégés magnétiquement dans le régime de Knudsen au-dessus d’une puce à atomes. L’inhomogénéité spatiale de la fréquence de transition sur le nuage devrait réduire le contraste des franges de Ramsey de plus d’un facteur 5 pour 5 s d’interrogation. Nous mesurons une réduction d’un facteur 1,08, correspondant à un temps de cohérence de l’ordre de la minute. Ce nouvel effet est bénéfique pour une horloge, puisqu’il permet d’augmenter le facteur de qualité de la résonance atomique microondes. Nous expliquons ce résultat surprenant par un mécanisme de refocalisation de spins auto-induit causé par l’effet de rotation des spins identiques. Nous proposons une théorie décrivant ce mécanisme de synchronisation et observons un bon accord entre la théorie et l’expérience. L’étude sous condition métrologique de la décohérence dans le nuage atomique est la clé permettant d’arriver à ce régime de synchronisation où les effets non linéaires dominent l’évolution du nuage. Cet effet repose sur des mécanismes généraux et devrait pouvoir être reproduit dans d’autres systèmes interrogeant des atomes piégés. En particulier, cet effet peut être observé dans les fermions et est susceptible d’être exploité pour améliorer la stabilité des horloges optiques à réseau.

Abstract: We perform Ramsey spectroscopy on the ground state of untracold 87Rb atoms magnetically trapped on a chip in the Knudsen regime. Field inhomogeneities over the sample should reduce the contrast of the Ramsey frindges by a factor of 5 for 5 s of interrogation. We measure hardly any decay, only a factor 1.08 corresponding to a coherence time of the order of one minute. This new effect allows us to increase the quality factor of the microwave atomic resonance. We explain this surprising result by a spin self-rephasing mechanism induced by the identical spin rotation effect. The study of decoherence under metrological condition is the key to this synchronisation regime where non-linear effects dominate the evolution of the cloud. We propose a theory of this synchronization mechanism and obtain good agreement with the experimental observations. The effect is general and may appear in other physical systems with trapped atoms. In particular, this effect will exist for fermions and could be exploited to enhance the stability of optical lattice clocks.

Mots clés : métrologie des fréquences, atomes froids, atomes piégés, puce à atomes, collisions froides, effet de rotation de spins identiques

Key words: frequency metrology, cold atoms, trapped atoms, atom chips, cold collisions, identital spin rotation effect


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