Université de Franche-Comté

Micro-horloge atomique : vers une rupture de technologie

Sept ans d’une réflexion concrétisée par un programme de recherche national puis un consortium européen : le projet de micro-horloge atomique piloté par l’Institut FEMTO-ST arrive à son terme avec la réalisation d’un prototype opérationnel et l’ambition d’un développement prometteur sur un marché en attente. La petite merveille technologique a remporté un micron d’or au salon Micronora en septembre dernier.

 

 

Dans un volume de 15 cm3, la micro-horloge atomique renferme les savoir-faire les plus pointus en physique atomique, optique, électronique et microfabrication. Elle affiche de bonnes performances de stabilité, de l’ordre de 10-11, correspondant à une dérive d’une microseconde par jour. Les 150 mW nécessaires à son fonctionnement sont fournis par une simple pile ou une batterie. Enfin, son faible encombrement en fait une horloge embarquée idéale. Autant d’atouts remarqués par les membres du jury du salon Micronora organisé en septembre à Besançon, qui ont valu un micron d’or à Rodolphe Boudot et Nicolas Passilly, porteurs du projet à FEMTO-ST. Rodolphe Boudot est chercheur au département Temps-Fréquence, Nicolas Passilly fait partie du département MN2S : leur association est à l’image du consortium qui, depuis quatre ans, réunit des spécialistes de dix laboratoires académiques et industriels européens, dont seule la collaboration pouvait déboucher sur ce pur produit de science et de technologie.

 

La micro-horloge made in Europe est armée pour concurrencer son homologue américaine qui témoigne d’une avance relative dans le domaine. L’enjeu est de taille. « L’horloge atomique devrait à terme remplacer l’oscillateur à quartz, arrivé à la limite de ses performances. Elle présente d’ores et déjà des records supérieurs de deux ordres de grandeur en termes de stabilité à long terme » assure Nicolas Passilly. Une multitude d’applications comportant des horloges embarquées comme les systèmes de télécommunication, les téléphones portables ou systèmes GPS sont concernés. Les réseaux électriques ou de capteurs aussi, qui ont besoin d’une horloge locale pour assurer leur synchronisation, tout comme le domaine de la défense, pour qui un garde-temps de grande qualité assure des géolocalisations hyper précises, le tout avec rapidité. Opérationnelle en quelques dizaines de secondes, quand l’oscillateur quartz demande une demi-heure de mise en route, la micro-horloge atomique fait là aussi la preuve de sa supériorité.

 

 

Sandwich au césium

Comme ses grandes sœurs chargées de délivrer le temps atomique international, la micro-horloge met en jeu des atomes de césium. Mais l’exploitation d’un principe physique dit piégeage cohérent de population par lequel on sonde la transition d’horloge par méthode « tout optique » a permis son extrême miniaturisation. De nombreuses innovations ont accompagné sa conception, dont le cœur de l’horloge, une cellule de césium développée à Besançon selon des méthodes de microfabrication originales. La cellule peut être imaginée comme une sorte de sandwich, comprenant deux tranches de verre emprisonnant une tranche de silicium, elle-même percée d’une cavité destinée à recueillir les atomes de césium. Pour garantir une qualité parfaite de la soudure des tranches, l’inclusion des atomes se fait postérieurement à cette étape, grâce à une capsule métallique de césium placée à proximité directe de la cavité en verre. Un faisceau laser traverse le verre et chauffe le césium, qui se transforme en vapeur : les atomes peuvent alors migrer vers la cavité en verre. Injecté au préalable, un gaz « tampon » évite que la course des atomes se termine trop vite contre les parois de la cavité. En les obligeant à suivre une trajectoire plusieurs fois déviée sous son influence, le gaz confère aux atomes une « durée de vie » plus longue dans l’état excité adéquat, ce qui détermine directement la stabilité de fréquence de l’horloge.

 

 

Micro-horloge atomique - Institut FEMTO-ST

 

 

Parallèlement à la poursuite de leurs activités de recherche, Rodolphe Boudot et Nicolas Passilly vont désormais amener le projet sur la voie du transfert technologique, où un nouveau consortium, d’industriels cette fois, se chargera de prendre le relais pour la fabrication et la commercialisation de la micro-horloge atomique.

 

 

Contact : Rodolphe BoudotNicolas Passilly

Temps-Fréquence / MN2S

Institut FEMTO-ST

Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM / CNRS

Tél. (0033/0) 3 81 40 28 56 / 3 81 66 66 19

 

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