Soutenance de thèse de Marylise MARCHENAY

Les propriétés de stabilité des pièges radiofréquence en font une technologie de choix pour la conception d'horloges micro-ondes à ions confinés embarquées pour les applications de navigation en espace lointain. Le principal effet limitant la stabilité en fréquence de ces horloges est le décalage en fréquence induit par l'effet Doppler du second ordre qui fluctue avec le nombre d'ions piégés. L'utilisation de pièges radiofréquence multipolaires dans la conception d'horloges micro-ondes est motivée par une réduction structurelle de la composante du mouvement des ions entraînée par le champ radiofréquence avec l'augmentation de l'ordre du champ multipolaire. Les réalisations expérimentales (NASA-JPL) d'horloges micro-ondes à ions confinés impliquant des pièges multipolaires d'ordre supérieur ont démontré un gain en stabilité, mais aucune mesure directe n'a encore été entreprise pour distinguer si ce gain est une conséquence directe du nombre d'électrodes dans le piège ou d'une optimisation globale de l'ensemble de l'installation. L'un des objectifs de l'expérience TADOTI est de réaliser une mesure comparative de la distribution de vitesse d’un nuage d'ion Ca+ refroidi par laser et piégé dans un piège quadripolaire et dans un piège octupolaire. Les observations d'échantillons froids ont montré une distribution spatiale non homogène des particules piégées avec un regroupement des ions dans des puits de potentiel locaux. Les simulations attribuent cette organisation à une rupture de symétrie dans le piège, induite par une erreur réaliste du positionnement des électrodes. Une condition préalable de la caractérisation de la distribution de vitesse est de rétablir la symétrie du potentiel dans l’octupole en ajustant la tension RF appliquée à chaque électrode. Cette thèse se concentre sur la description analytique des perturbations du potentiel induites par la déformation structurelle du piège, et propose un protocole de caractérisation et de compensation des perturbations, basé sur la localisation des ions refroidi par laser dans le piège. Ces outils peuvent être utilisés pour contrôler entièrement la position radiale des trois nuages d'ions parallèles dans l’octupole.

The stability properties of radio-frequency traps make them a technology of choice for the design of embedded microwave ion clocks for deep space navigation applications. The main effect limiting the frequency stability of such clocks is the frequency shift induced by the second order Doppler effect which fluctuates with the number of trapped ions. The use of radio-frequency multipole traps in the design of microwave clocks is motivated by a built-in reduction of the radio-frequency driven motion of the ions with the increase of the order of the multipole field. Experimental realizations by NASA-JPL of ion clocks involving higher order multipole traps have demonstrated a stability gain, but no direct measurement has yet been undertaken to clarify wherever this gain is a direct consequence of the number of electrodes in the trap or from a global optimization of the whole setup. One of the objectives of the TADOTI experiment is to conduct a comparative measurement of the velocity distribution over a laser cooled Ca+ ion cloud trapped in a quadrupole and an octupole trap. Observations of cold samples have shown an inhomogeneous spatial distribution of the trapped particles with clustering of the ions in local potential wells. Simulations attribute this organization to a symmetry breaking in the trap, induced by realistic mis-positioning of the electrodes. A prerequisite for the velocity distribution characterization is to restore to symmetry of the potential of the octupole trap by tuning the RF voltage applied to each electrode. This thesis focuses on the analytical description of the potential perturbations induced by the structural deformation of the trap, and proposes a characterization and compensation protocol of the perturbations, based on the localization of the laser-cooled ion in the trap. These tools can be used to create any configuration of three parallel ion clouds in the octupole trap.