Principe de fonctionnement d'une horloge atomique
Principe d'une horloge atomique en micropesanteur
Principe général
Le banc optique fournit des faisceaux laser pour refroidir, manipuler et détecter les atomes de césium. La lumière arrive au cœur de l'instrument, la chambre d'interaction, par fibres optiques. Dans cette chambre à vide (pression résiduelle en dessous de 10-10 Torr) est située une cavité micro-onde alimentée par un signal 9,2 GHz qui est réglé autour de la transition hyperfine du césium à la fréquence 
0. Un champ magnétique statique hautement homogène est appliqué aux atomes par des spires solénoïdes pour contrôler l'environnement magnétique et le tube à vide est entouré de trois couches de boucliers magnétiques pour rejeter les perturbations magnétiques externes.
L'horloge fonctionne en mode séquentiel
Capture des atomes, lancement, refroidissement final, préparation, sélection, interaction avec le champ micro-onde, détection et correction de fréquence. La durée du cycle dépend du temps de capture et de la vitesse de lancement. La séquence est pilotée par l'ordinateur principal (UGB) suivi par le centre de contrôle au sol.
Cycle de manipulation des atomes de Césium
Tout d'abord, environ 108 atomes sont capturés et refroidis dans une mélasse optique à l'intersection de six faisceaux laser. En utilisant le même ensemble de faisceaux laser, les atomes sont lancés dans le tube avec une vitesse ajustable v. Après le lancement les atomes sont vite refroidis à 1 microKelvin (phase de refroidissement final). Les atomes en phase quantique particulière F=4, avec un sous-niveau magnétique m=0 sont transférés de manière sélective en F=3, m=0 dans une cavité micro-onde auxiliaire (phase de préparation). Les atomes restants en F=4 avec un m différent de 0 sont écartés par la pression de radiation (phase de sélection) de sorte que seuls les atomes F=3, m=0 continuent plus loin dans le tube en vol libre. Ils interagissent deux fois avec le champ micro-onde dans deux zones dites de Ramsey séparées spatialement. Après ces interactions, ils entrent dans la zone de détection où la probabilité de transition de l'état quantique inférieur vers le supérieur est mesurée par fluorescence induite en utilisant deux faisceaux laser. Dans le premier faisceau, seuls les atomes en état interne F=4 sont détectés et dans le second faisceau, seuls les atomes en état F=3 le sont. La fluorescence est mesurée par 2 photodiodes et le signal résultant est traité par le système de contrôle.
Franges de Ramsey
Ceci complète un cycle de fonctionnement de PHARAO. Répéter ce cycle tout en scannant le champ micro-onde autour de la résonance du césium produit les franges bien connues de Ramsey : la probabilité de transition oscille selon cos²(-0)T/2 = cos²(-0)D/2v autour de la fréquence hyperfine du césium 0. La période des franges est inversement proportionnelle au temps T = D/v entre deux interactions Ramsey. En micropesanteur ce temps peut être rendu 5 à 10 fois plus long que dans une fontaine sur Terre. Par exemple, la figure suivante montre le signal attendu dans PHARAO pour v = 5 cm/s par comparaison avec le signal d'une fontaine et la résonance d'un faisceau thermique.
Signal attendu de PHARAO contre celui d'une fontaine
Le gain en résolution obtenu en conditions de micropesanteur
a) La résonance en faisceau thermique d'une horloge Cs : avec 100 Hz
b) La résonance en fontaine : avec 1 Hz
c) La résonance PHARAO : avec 0.1 Hz pour une vitesse de lancement de 5 cm/s
Non seulement le temps d'interaction peut être plus long dans PHARAO mais la vitesse atomique constante dans l'appareil amène aussi un nombre d'avantages en rapport avec la précision de l'horloge : faible dérive de phase de la cavité et faible dérive collisionnelle. Les paramètres de conception de PHARAO sont une stabilité de fréquence de 10-13
-½ où est la mesure du temps en secondes, et une précision de 10-16. Moyennée sur un jour, la stabilité atteindra 2-3 10-16 et environ 10-16 sur 10 jours. Cette stabilité dépend de façon cruciale des performances de l'oscillateur d'interrogation (Ultra Stable Quartz oscillator). PHARAO devrait être capable de fonctioner à un niveau de 3 10-14-½ avec un oscillateur en saphir cryogénique tel que celui développé par l'Université de Western Australia (UWA) ou bien l'oscillateur superconducteur développé par l'Université de Stanford pour des tests à bord de l'ISS (projet SUMO). Un lien de communication optique entre les deux expériences a été évalué.
Génération des faisceaux laser
La lumière laser est fournie par un système de laser "all-diode". Le banc optique inclut des diodes lasers stabilisées sur 4 fréquences, des modulateurs acousto-optiques pour régler précisemment les fréquences du faisceau et contrôler l'intensité du faisceau et les obturateurs mécaniques (pour éteindre toute lumière). Les faisceaux lasers sont injectés dans le tube ultra-vide par dix fibres optiques.
Génération des micro-ondes
Les champs de sélection et d'interrogation qui alimentent les cavités micro-onde sont synthétisés par une chaine de fréquence. L'oscillateur principal de la chaine est un quartz oscillant à 10 MHz dont la fréquence est multipliée et mixée avec un synthétiseur programmable pour atteindre 9,192... GHz. Il est important que la phase de corrélation entre les deux champs (sélection et interrogation) s'annulent à moyen terme pour éviter une dérive de la fréquence de la résonance atomique qui serait induite par une cohérence atomique initiale. Le système de contrôle en fonctionnement gère les opérations de l'horloge. Il fournit tous les signaux séquentiels, pilote la puissance et la fréquence de la chaine du synthétiseur et traite les deux signaux de détection pour en déduire la correction de fréquence à appliquer au synthétiseur programmable de la chaine de fréquence.
