Les horloges à atomes froids sont parmi les plus précises du monde et sont aujourd’hui largement utilisées comme étalons de fréquence donc de temps. Ces horloges utilisent des transitions de l’atome de césium ou de rubidium dans le domaine des micro ondes dont elles mesurent la fréquence avec une exactitude supérieure à 10-15. Une limite fondamentale à la précision des mesures de fréquence dans une horloge atomique est imposée par la mécanique quantique et en particulier par le caractère quantique des degrés de liberté internes des atomes (assimilés à des spin 1/2) que l’on manipule lors de la mesure. La précision des expériences est telle que cette limite quantique est déjà atteinte dans les horloges à atomes froids.

Cette limite quantique ne s’applique qu’à des atomes indépendants et il est possible de la dépasser en créant des corrélations particulières entre atomes. C’est ce que l’on appelle dans le domaine ``la compression de spin". Elle est réalisée en introduisant une non linéarité pour le champ atomique. Une première possibilité est de coupler les atomes à la lumière par exemple dans une cavité résonnante. La non linéarité vient alors de l’interaction entre atomes créée par l’intermédiaire du champ lumineux. Une autre possibilité est d’utiliser les interactions cohérentes entre atomes froids dans un condensat de Bose-Einstein qui fournissent une non linéarité intrinsèque. C’est la voie mise en œuvre dans une expérience à l’Université Ludwig-Maximilians de Munich en collaboration avec le Laboratoire Kastler Brossel de l’ENS et l’UPMC, où l’on a produit des états comprimés de spin dans un condensat d’atomes de rubidium piégés sur une puce atomique.

On prépare d’abord un condensat où chaque atome se trouve dans une superposition de deux états internes : 0 et 1. Grâce aux interactions entre atomes, cet état initialement factorisé évolue en un état comprimé de spin. La non linéarité est ajustée en contrôlant le recouvrement entre les fonctions d’ondes des deux états internes. Elle est ``branchée« pendant le temps nécessaire pour créer les corrélations quantiques et elle est ``coupée » ensuite.

D’autres résultats marquants dans le domaine de la compression de spin dans des systèmes très proches ont été obtenus récemment à Heidelberg et au MIT.

• (a) A l’aide de potentiels micro-onde dépendant de l’état interne, on sépare spatialement pendant un temps bien déterminé les fonctions d’onde des états 0 et 1. Ceci branche la non linéarité atomique qui provoque la compression de spin.

• (b) Evolution de l’état interne du système représenté comme un spin collectif S sur la sphère de Bloch. La longueur moyenne du spin représente la cohérence entre les états 0 et 1. Les fluctuations du spin dans le plan orthogonal au spin moyen sont isotropes pour l’état initial factorisé, alors qu’elles sont réduites selon la direction θ dans l’état comprimé.

• (c) Reconstruction de la fonction de Wigner de l’état comprimé à partir des données expérimentales. Le contour noir indique le lieu des points où la fonction de Wigner vaut 1/√e fois sa valeur maximale, le cercle indique la même ligne de niveau pour un état factorisé.