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Vers une production d’horloges atomiques miniatures à échelle industrielle

Les travaux de chercheurs de l’Institut FEMTO-ST1 ont permis la miniaturisation d’horloges atomiques, moins chères et plus compactes.

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L’utilisation d’horloges atomiques miniatures commence à se généraliser, la recherche améliorant sans cesse la réduction d’échelle. Véritables références de temps, ces appareils comptent les secondes avec une extrême précision grâce à l’oscillation d’atomes de césium, un élément qui évolue de manière extrêmement stable. Pour fonctionner, le cœur de l’horloge, constitué d’une microcellule contenant de la vapeur de césium, doit être excité par le faisceau d’une diode laser modulée en fréquence. Les horloges atomiques actuelles  sont beaucoup plus précises, stables et performantes que les oscillateurs à quartz usuels : l’objectif de leur miniaturisation est de disposer d’un objet moins coûteux en production et en énergie afin de permettre leur déploiement dans des applications portables. Leur intégration dans de nombreux systèmes pourrait participer à l’amélioration de la synchronisation des réseaux électriques, bancaires ou de télécommunication. L’exploitation de ces appareils miniatures laisse également entrevoir de nouveaux usages civils ou militaires, liés à la sécurité ou à la géolocalisation, notamment pour coordonner les systèmes n’ayant pas accès à la référence délivrée par le GPS (comme les dispositifs de prospection pétrolière ou les communications militaires dans des environnements brouillés).

C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’institut FEMTO-ST, en collaboration avec le laboratoire Systèmes de référence temps-espace (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais, ont mis au point une nouvelle architecture de cellule au cœur des horloges atomiques miniatures contenant le césium, adaptée à une valorisation industrielle. La base de cette nouvelle architecture : une cellule allongée équipée de réseaux de diffraction pour conduire la lumière au cœur du dispositif. La géométrie atypique de l’objet due aux contraintes de micro-fabrication a montré d’excellentes performances, avec un volume de vapeur de césium pourtant deux fois plus faible que les micro-appareils conventionnels. Des centaines de dispositifs pourraient être produits, comme pour la microélectronique, réduisant ainsi fortement les coûts de fabrication.

La miniaturisation des horloges atomiques est devenue un enjeu stratégique que FEMTO-ST a relevé par la coordination du projet européen collaboratif MAC-TFC. Leurs travaux ont été réalisés dans le cadre du projet ANR ISIMAC avec le soutien de la Direction générale de l’armement (DGA). Le principe a fait l’objet d’un brevet et a été publié dans la revue Scientific Reports en septembre 2015. 

1 Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique-sciences et technologies (CNRS/Université de Franche-Comté/Université de technologie Belfort-Montbeliard/Ecole nationale supérieure de mécanique et des microtechniques)

Contact :

Nicolas Passilly / FEMTO-ST / T. +33 3 81 66 66 19 / nicolas.passilly@femto-st.fr

Institut des sciences de l'ingienerie et des systèmes du CNRS / insis.communication@cnrs.fr