Le rubidium est un métal alcalin couramment utilisé dans la fabrication d’horloges atomiques compactes, voire miniatures, et, par ricochet, l’un des matériaux de prédilection des chercheurs du laboratoire Temps-Fréquence (LTF) de l’université de Neuchâtel, pour qui la miniaturisation des systèmes est une préoccupation constante.
L’horloge neuchâteloise a vu dans un premier temps se réduire les dimensions de sa cellule de résonance. C’est là que sont logés les atomes de rubidium et la cavité micro-onde assurant le contrôle de l’oscillateur à quartz (cf. en direct n° 247, mars – avril 2013). Les chercheurs sont aujourd’hui parvenus à miniaturiser la seconde cellule composant l’horloge, la source optique chargée d’activer ce phénomène de résonance. Ici encore, le rubidium est le matériau star, et s’intègre dans une lampe en verre soufflé. Pour réduire encore la dimension et le coût de cette lampe, les chercheurs ont eu l’idée de recourir aux technologies de microfabrication : la lampe à plasma de rubidium, qu’ils ont mise au point en collaboration avec le laboratoire LMTS (Microsystems for Space Technologies Laboratory) de l’EPFL, est une structure silicium / verre de 3 mm d’épaisseur, susceptible d’être produite en grande série sur wafers, avec une facilité d’assemblage inaccessible à la technique du verre soufflé. « Les microtechnologies auxquelles nous avons recours sont semblables à celles des écrans plasma de nos tablettes et téléphones portables, explique Gaetano Mileti, directeur adjoint du LTF. La lampe au rubidium microfabriquée assure les mêmes performances que celle en verre, tout en se logeant dans une structure millimétrique. »
Cependant, la miniaturisation se heurte à la notion de stabilité, un critère d’exigence extrême dans le domaine spatial. Les travaux des spécialistes neuchâtelois et d’autres membres du Programme européen de recherche en métrologie (EMRP) ont abouti à un compromis. Cette fois il s’agit d’augmenter légèrement la taille de la cellule de résonance de l’horloge au rubidium et de la cavité micro-onde qui l’accueille… Les chercheurs ont prouvé en laboratoire que l’horloge, avec ces proportions plus généreuses, peut prétendre à la même stabilité qu’un maser à hydrogène, actuellement le plus performant des systèmes, avec un encombrement dix fois moindre.
Cœur de l’horloge au rubidium développée dans le projet EMRP.
Au centre, la cavité micro-onde et à droite, la cellule au rubidium
Des efforts de modélisation et des modifications de conception pour une horloge au rubidium deuxième génération, qui, dans quelques années, prendra le relais de son aînée dans les satellites de navigation Galileo. Ces applications ont fait l’objet de présentations lors du congrès EFTF (European Frequency and Time Forum) qui a accueilli en juin dernier à Neuchâtel quatre cents spécialistes du monde entier, parmi lesquels le Français Serge Haroche, prix Nobel de physique 2012.
