PhD on a novel active optical clock based on continuous superradiant lasing (H/F)

Sujet de thèse :
Les horloges atomiques sont des composants essentiels pour de nombreuses applications de notre société moderne, telles que le fonctionnement du GPS et la synchronisation des réseaux de télécommunications. Elles servent également à étayer les recherches sur des phénomènes physiques fondamentaux, comme la détection des ondes gravitationnelles à basse fréquence. Récemment, un nouveau type d’horloge a été proposé : l’horloge active utilisant l’émission laser superradiante. Au lieu de diriger un laser très stable sur des atomes ultra-froids pour sonder la fréquence de résonance atomique (et ainsi mesurer le temps), l'horloge fonctionnerait en laissant les atomes eux-mêmes émettre de la lumière. Tout comme dans un laser, les atomes froids seraient mis dans un état excité, puis placés entre deux miroirs formant une cavité. Les atomes émettraient alors de la lumière de manière cohérente dans le mode de la cavité. Cependant, contrairement à un laser traditionnel, la fréquence de la lumière serait principalement déterminée par les atomes eux-mêmes, et non par la cavité. La cohérence de la lumière sera déterminée par une synchronisation collective des dipôles atomiques entre eux – un processus appelé superradiance. Ainsi, outre son importance en tant que nouvelle architecture d’horloge, ce système est intéressant d’un point de vue fondamental : il s’agit d’un exemple de système ouvert-dissipatif dans lequel des corrélations de nature quantique peuvent apparaître naturellement.

Nous avons construit un prototype de ce laser superradiant à atomes froids. Nous souhaitons résoudre le problème non encore résolu du maintien en continu d'une émission superradiante, afin d'exploiter pleinement son potentiel en tant qu'horloge. Notre conception repose sur un faisceau effusif d'atomes de strontium à l'intérieur d'une chambre à vide, ralentis, refroidis et guidés en continu vers une cavité optique, où ils émettent de la lumière de manière superradiante. La construction de l'appareil est terminée, et nous espérons parvenir à contrôler entièrement la distribution de la vitesse des atomes dans les prochains mois. Le doctorat sera d'abord consacré à la caractérisation des signes d'interaction collective entre les atomes et la cavité (c'est-à-dire à la réalisation d'une spectroscopie améliorée par cavité), et à la recherche de signaux de superradiance dans la spectroscopie de battement. Ensuite, le doctorant étudiera les propriétés de la lumière afin de comprendre comment les émetteurs synchronisent leurs oscillations, et comment la cohérence de la lumière est liée aux corrélations entre tous les émetteurs atomiques. Notre expérience aura la capacité unique d'explorer plusieurs régimes d'émission superradiante distincts, qui seront identifiés grâce aux propriétés spectrales et de corrélation de la lumière et des atomes. En collaboration avec des experts en métrologie du LPL et du consortium QuRIOUS, nous
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