Offre de post-doc Sujet: Horloges atomiques miniatures

Offre de post-doc
Sujet: Horloges atomiques miniatures haute-performance
FEMTO-ST (www.femto-st.fr) est une unité mixte de recherche (UMR6174, CNRS-UFC-UTBM-ENSMM)
implantée à Besançon (France). FEMTO-ST couvre un large spectre disciplinaire dans les domaines des
sciences pour l’ingénieur et des microtechniques. FEMTO-ST est aujourd’hui divisée en 7 départements
scientifiques (optique, informatique, automatique, temps-fréquence, mécanique appliquée, micro-nano
systèmes, énergie) et est animée par environ 700 personnes. FEMTO-ST dispose d’une importante plate-forme
de micro-technologies (MIMENTO) avec environ 1300 m 2 de salle blanche. Elle est dotée d’un parc
d’équipements de haute technologie ouvert à la fois à des partenaires académiques et industriels. Le laboratoire
FEMTO-ST coordonne le LabeX ACTION (http://www.labex-action.fr/) et est un acteur majeur du LabeX FIRSTTF (http://first-tf.fr/) visant à aider à la coordination de la communauté temps-fréquence française.
FEMTO-ST dispose aujourd’hui de presque 10 ans d’expérience sur le domaine des micro-horloges atomiques
CPT (piégeage cohérent de population). FEMTO-ST fut le porteur d’un grand nombre de projets nationaux et
internationaux sur cette thématique, incluant des financements de l’Europe, de la Région de Franche-Comté,
de l’ANR et la DGA. Il fut porteur du projet MAC-TFC, cadre FP7(www.mac-tfc.eu), regroupant 10 partenaires
académiques et industriels, conduisant à la démonstration du premier prototype d’horloge atomique MEMS en
Europe. Ces projets ont conduit à de nombreuses publications, plusieurs brevets, différents prix et distinctions
et des collaborations avec industriels en cours.
Les horloges atomiques miniatures, véritables garde-temps atomiques de poche, sont des candidats attractifs
pour le remplacement potentiel futur des oscillateurs à quartz massivement utilisés dans de nombreuses
applications telles que les systèmes de navigation par satellite, la synchronisation des réseaux de
télécommunication et distribution d’énergie, l’exploration pétrolière, les communications sécurisées et la
défense. Ces horloges atomiques miniatures combinent un volume total de 15 cm3, une puissance de
consommation de 150 mW et une stabilité relative de fréquence de l’ordre de 10-11 à une journée d’intégration.
Dans ces horloges, des atomes de césium confinés dans une microcellule interagissent avec un champ laser
bi-chromatique généré par un système laser modulé. Sous certaines conditions de résonance, les atomes
peuvent être piégés dans un état particulier dans lequel ils n’interagissent plus avec la lumière incidente. La
puissance laser transmise à travers la cellule est détectée par une photodiode. Le signal en sortie de cette
photodiode est exploité pour stabiliser la fréquence d’un oscillateur local sur la fréquence de transition atomique.
Dans cet ensemble couvrant un large spectre disciplinaire, l’expertise de FEMTO-ST concerne essentiellement
la technologie de microcellule et la métrologie temps-fréquence, par la combinaison des compétences
respectives du groupe MOEMS (département MN2S) et de l’équipe OHMS (département Temps-Fréquence).
FEMTO-ST a développé au cours des années une technologie de microcellule originale, consistant
basiquement en un « sandwich » verre-silicium-verre réalisé par des techniques de microfabrication.
L’originalité majeure de notre technologie consiste en la génération de la vapeur de césium après scellement
définitif de la microcellule par activation laser d’une pastille dite dispenser de césium. Cette technologie a
démontré l’obtention d’une atmosphère interne à la cellule stable et pure. Une pression de gaz, dit gaz tampon,
est généralement ajoutée pour confiner les atomes de césium en régime Dicke et permettre l’obtention de
largeurs de raie étroites. Cette technologie de microcellule a été récemment transférée à un partenaire industriel
dans le cadre d’un projet de valorisation. Des projets futurs démarreront en 2016 pour la proposition, le test et
la caractérisation de concepts totalement nouveaux et innovants.
Dans ce contexte, de nombreuses études excitantes, combinant solutions technologiques, scientifiques et
l’implémentation de bancs de mesure dédiés de haute-résolution, sont à mener pour renforcer la mâturité de la
technologie de microcellule, étendre sa gamme de température d’opération et lui offrir en même temps une
viabilité industrielle améliorée. Ces études concernent par exemple la caractérisation de nouveaux verres
faiblement perméables pour améliorer la stabilité de l’atmosphère interne de la cellule, l’implémentation de
nouvelles solutions à mélange de gaz tampon, le test dédié du vieillissement de microcellules par des
techniques spectroscopiques haute-résolution dédiées ou l’implémentation de techniques avancées pour
l’amélioration de la stabilité de fréquence long terme de l’horloge. Les concepts totalement nouveaux à tester,
impliquant des concepts physiques et technologiques excitants, pourraient être exploités dans un avenir proche
pour le développement d’horloges atomiques miniatures de nouvelle génération à atomes froids.
Le candidat travaillera au sein du département Temps-Fréquence de FEMTO-ST, en collaboration étroite avec
le groupe MOEMS en charge du développement de la technologie de microcellule. Le candidat sera en charge
du développement d’horloges atomiques CPT prototypes de laboratoire dédiées au test et à la caractérisation
de microcellules à vapeur de césium, l’implémentation de techniques dédiées pour l’optimisation des
performances en stabilité de fréquence long terme des horloges. Il sera aussi impliqué dans la conception, le
développement et le test d’un module physique ultra-compact (1 à 2 cm3) d’horloge atomique CPT.
Compétences requises : Docteur en physique, sciences pour l’ingénieur, physique appliquée. Le candidat
sera impliqué dans différents domaines propres aux horloges atomiques, incluant le montage de setups
optiques (free-space et/ou fibré), la spectroscopie laser, l’électronique analogique-numérique, les microondes,
la physique atomique, la conception mécanique et l’instrumentation pour le pilotage des expériences. Le
candidat doit présenter un goût prononcé pour la physique expérimentale. L’expérience en techniques MEMS
n’est pas requise mais des connaissances basiques sur le sujet sont appréciées. Le candidat visera à
communiquer ses résultats par la rédaction d’articles scientifiques dans des journaux à bon impact, le dépôt de
brevets et la participation à des conférences internationales.
Environnement : Le candidat travaillera quotidiennement au sein d’un groupe d’environ 10 personnes
(chercheurs, ingénieurs, techniciens) impliqués directement sur la thématique Micro-horloge atomique de
FEMTO-ST. Il sera suppléé par les services communs de FEMTO-ST que sont les services Electronique,
Mécanique et Informatique.
Durée du contrat : 1 an (prolongation possible à 2 ou 3 ans).
Disponibilité du poste: Septembre 2016
Salaire: environ 2200€ net par mois (première année)
Informations supplémentaires:
http://teams.femto-st.fr/equipe-ohms/cs-vapor-cell-atomic-clocks
http://projects.femto-st.fr/MOEMS-Group/fr
Contacts:
Dr. Rodolphe Boudot
FEMTO-ST - CNRS, Time-Frequency Dpt
ENSMM Site, 26 chemin de l’épitaphe 25000 Besançon.
[email protected]
Tel: +33 (0)3 81 40 28 56
Post-doc position offer
Subject: High-performance miniature atomic clocks
FEMTO-ST (www.femto-st.fr) is an internationally-recognized laboratory implemented in Besançon (France),
covering a wide spectrum of disciplines in engineering sciences, applied physics and microtechnologies.
FEMTO-ST is divided into 7 scientific departments, is equipped by 1300 m2 clean-room facilities and is now
animated by about 700 persons. FEMTO-ST is among the main partners of LabeX FIRST-TF (http://first-tf.fr/),
a national network dedicated to combine competences of several laboratories, industries and partners in time
and frequency metrology.
FEMTO-ST has acquired now about 10 years of experience in the research, study and development of miniature
vapor cell atomic clocks based on coherent population trapping (CPT). FEMTO-ST has been the leader of
numerous national and international programs in this domain, funded by ANR, EU Commission (www.mactfc.eu) , DGA or Région de Franche-Comté. These studies led to numerous publications in high-rank scientific
journals, several patents, different awards and distinctions and in-progress industrial collaborations.
Miniature atomic clocks (MACs) are pocket-size atomic time-keepers and are exciting candidates to replace
quartz oscillators where low power-consumption (~150 mW), reduced size (15 cm 3) and excellent frequency
stability at the level of 10-11 at 1 day integration time (1 µs/day) is required. These clocks find definitely numerous
applications in satellite-based navigation systems, synchronization of telecommunication systems, power
networks, oil exploration, secure communications and defense.
In these clocks, Cs atoms confined in a micro-fabricated vapor cell interact with a bi-chromatic optical field
generated by a modulated laser system. Under given resonance conditions, atoms are trapped in a so-called
dark state, leading to increase the transparency of the atomic vapor. The laser power transmitted through the
cell is detected by a photodiode and the output signal is extracted to stabilize the frequency of a local oscillator
onto the atomic transition frequency. In this inter-disciplinary ensemble, the main expertise of FEMTO-ST
concerns the microcell technology and time and frequency metrology through the mutual expertise of MOEMS
group (MN2S dpt) and OHMS group (Time-Frequency dpt).
FEMTO-ST has developed an original Cs vapor microcell technology, basically consisting of DRIE-etched Si
cavities placed between two anodically-bonded glass wafers. The main originality of this technology relies on
the Cs vapor generation after complete sealing of the microcell though local laser activation of a Cs pill dispenser
(SAES Getters), allowing to maintain a pure and stable internal atmosphere. A buffer gas pressure is generally
added into the cell to operate in the Dicke regime, to reduce the CPT clock resonance linewidth and
consequently to improve the clock performances. This microcell technology has been recently transferred to an
industrial partner in the frame of a valorization project. Future projects will start in 2016 in order to propose
totally novel concepts and innovative solutions.
In this context, numerous exciting studies, combining technological, scientific solutions and the implementation
of dedicated high-resolution measurement benches, have to be investigated to validate further the microcell
technology, enhance its maturity level, extend its operation temperature range and improve its industrial viability.
This includes for example the characterization of new low-permeation glass microcells, the implementation of
new buffer gas mixtures solutions, long-term aging tests of micro-fabricated cells through high-resolution
spectroscopy techniques and the development of dedicated advanced techniques for improvement of the clock
long-term stability. Several innovative ideas and concepts, involving exciting physics and new technologies,
could be explored in this domain for the development of new-generation high-performance miniature atomic
clocks based on laser-cooled atoms.
The candidate will work in Time and Frequency Department in FEMTO-ST, in close collaboration with MN2S
department (MOEMS Group, Pr. C. Gorecki) in charge of the microcell technology development. The candidate
will be mainly in charge of the development and operation of high-performance laboratory-prototype CPT-based
Cs vapor cell clocks dedicated to the test and characterization of micro-fabricated cells, the implementation of
new techniques for improvement of the clock long-term stability. He will be also involved in the design,
development and test of an ultra-compact physics package (1 to 2 cm 3) for CPT-based atomic clocks.
Required competences: PhD in physics or engineering sciences. The candidate will experience different
domains involved by the development of atomic clocks, including optics setups (free-space and/or fibered), laser
spectroscopy, electronics, microwaves, atomic physics, mechanical design and instrumentation to pilot
experiences (Python, Labview, C-language for example). The candidate should be well adapted and feel
comfortable with experimental physics. Experience in microfabrication technologies is not required but basic
knowledge in this domain will be appreciated to communicate easily with MOEMS group. The candidate can
communicate in English and will aim to communicate his-her scientific results in high-ranking scientific journals,
patent proposals and international conferences.
Environment: The candidate will collaborate every day with a group of about 10 persons (researchers,
engineers, PhDs and technicians) directly involved in the study and development of miniature and compact
vapor cell atomic clocks in FEMTO-ST. He will be helped by several services in FEMTO-ST including
electronics, mechanics or computing services.
Contract duration: 1 year (could be extended to 2 or 3 years)
Position availability: September 2016
Salary: about 2200€/month net (first year)
Additional information on our activities:
http://teams.femto-st.fr/equipe-ohms/cs-vapor-cell-atomic-clocks
http://projects.femto-st.fr/MOEMS-Group/fr
Contacts:
Dr. Rodolphe Boudot
FEMTO-ST - CNRS, Time-Frequency Dpt
ENSMM Site, 26 chemin de l’épitaphe 25000 Besançon.
[email protected]
Tel: +33 (0)3 81 40 28 56