Les capteurs radiofréquence (RF) à atomes de Rydberg bénéficient des caractéristiques uniques des atomes, telles que leur stabilité et leur uniformité. C’est en partie grâce à ces caractéristiques que les capteurs RF à atomes de Rydberg n’ont pas besoin d’étalonnage. Une faible densité d’atomes, comme celle que l’on trouve dans une cellule contenant une vapeur atomique de césium à température ambiante, est suffisante pour générer un signal assez fort pour être détectable.

Pour les applications où l’auto-étalonnage et l’exactitude sont importants, il est crucial d’effectuer des mesures de champ de radiofréquences proches des fréquences sans distorsion. La cellule à vapeur constitue la principale faiblesse, puisqu’il s’agit d’un objet diélectrique placé dans le champ de radiofréquences cibles. Il devient impératif de concevoir la cellule à vapeur de manière à ce qu’elle perturbe le moins possible le champ de radiofréquences cibles.

Plutôt que d’être simplement un obstacle, l’ingénierie de la cellule à vapeur peut être une occasion de faire de nouvelles découvertes. En adoptant une approche technique de la conception des cellules à vapeur, nous avons créé de telles cellules dont la section efficace de diffusion est réduite, le champ de radiofréquences cibles, plus uniforme et l’amplification, régulière. Nous avons également mis au point de nouveaux schémas de collage.

Ingénierie des cellules à vapeur

Deux cellules à vapeur différentes sont montrées pour comparer leurs champs électriques normalisés.
Fig. 1 : Profils de champs calculés pour deux modèles de cellule à vapeur. Dans le premier modèle (a), qui décrit une forme carrée simple, on observe un gradient de champ important dans la cellule, ce qui entraîne une distribution de champ étalée. Dans le second modèle (b), on fait appel aux propriétés des métamatériaux pour réduire le gradient de champ, ce qui se traduit par une distribution de champ très étroite et une mesure plus exacte du champ incident.

Nous avons mis au point une cellule à vapeur basée sur les propriétés des métamatériaux afin de réduire l’indice de réfraction effectif et donc de diminuer la diffusion des radiofréquences. Ces propriétés peuvent également être mises à profit pour améliorer l’uniformité du champ dans la cellule à vapeur, de sorte que le champ de radiofréquences cibles mesuré à l’intérieur de la cellule à vapeur soit presque le même que le champ incident sur le capteur. La diffusion du champ de radiofréquences cibles peut être caractérisée par la section efficace de diffusion radar. Les cellules à vapeur de ce type sont avantageuses pour des applications métrologiques.

Il faudrait une plus grande sensibilité de champ de radiofréquences pour détecter sans signal parasite des impulsions courtes, ce qu’exigent les applications pour les radars et les communications. En faisant appel aux concepts de cristaux photoniques et du guidage d’ondes, nous avons utilisé une cavité pour fabriquer un récepteur qui amplifie efficacement le signal atomique. Ces cellules à vapeur sont entièrement diélectriques et génèrent peu de rayonnement diffus par comparaison à la technologie classique.

Graphique avec la section efficace de diffusion en millimètres carrées sur l’axe verticale et fréquence en gigahertz sur l’axe horizontale.
Fig. 2 : Mesures des sections efficaces de diffusion de nos cellules à vapeur en fonction de la fréquence du champ RF incident.

Mise à l’essai et fabrication des cellules à vapeur

Nous avons mis au point un certain nombre de méthodes pour caractériser nos cellules à vapeur. La distribution homogène du champ RF à l’intérieur d’une cellule à vapeur est une condition essentielle pour mesurer le champ RF réel. Par exemple, les cellules à vapeur à base de métamatériaux permettent de réduire au minimum la variation du champ RF à l’intérieur de la cellule. L’une des façons d’étudier la cellule à vapeur consiste à l’éclairer avec le champ RF d’essai pendant que le capteur est en fonction et de cartographier les inhomogénéités du champ, les déplacements de Stark et la variation du champ de radiofréquences cibles à l’intérieur de la cellule à vapeur. Nous avons également mesuré les sections efficaces de diffusion des radiofréquences de nos cellules à vapeur dans nos installations d’essai en radiofréquences.

Toutes nos cellules à vapeur sont fabriquées dans notre salle de fabrication de microsystèmes électromécaniques (MEMS). Nous disposons d’équipements de revêtement, de collage et de diagnostic et de l’appareillage permettant de remplir de différentes manières nos cellules à vapeur de césium. Un laboratoire de science des surfaces où l’on peut étudier la chimie de surface dans les cellules à vapeur vient compléter ces installations de fabrication de MEMS.

Les tests sont effectués dans nos laboratoires d’optique et dans notre chambre d’essais en radiofréquences. Nous avons également mis au point de nouveaux schémas de collage qui sont en cours d’essais dans nos laboratoires, ainsi que des méthodes pour contrôler l’environnement dans lequel les atomes captent le champ de radiofréquences.

Cellule à vapeur à base de cristaux photoniques utilisée comme récepteur RF.
Fig. 3 : Cellule à vapeur à base de cristaux photoniques utilisée comme récepteur RF. Les atomes à l’intérieur de la cellule sont exposés à un champ RF amplifié par la présence du cristal photonique, ce qui entraîne une sensibilité plus élevée au champ RF incident.
Graphe avec position verticale sur l’axe verticale, et position horizontale sur l’axe horizontale, tout en millimètres. Une légende en couleur montre l’intensité du champ RF, en pourcentage.
Fig. 4 : Intensité du champ RF calculée pour une fréquence de 4,01 GHz à l’intérieur d’une des cellules que nous avons conçues

Publications représentatives :

  1. « Vapor cell characterization and optimization for applications in Rydberg atom-based radio frequency sensing, » M. Noaman, H. Amarloo, R. Pandiyan, S. Bobbara, S. Mirzaee, K. Nickerson, C. Liu, D. Booth and J. P. Shaffer, Proceedings Volume 12447, Quantum Sensing, Imaging, and Precision Metrology; 124470V (2023).

Organismes de financement :

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