Magazine Observatoire de Paris n°12 sep/oct/nov 2009
Magazine Observatoire de Paris n°12 sep/oct/nov 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°12 de sep/oct/nov 2009

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Observatoire de Paris

  • Format : (211 x 298) mm

  • Nombre de pages : 24

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : exposition évènement... Cosmos, un cheminement jusqu'aux confins de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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masque de la puce, dimensions 2,27 ¥ 2,27 mm 2./Chip mask. Dimensions : 2.27 by 2.27 mm 2. S. Bosse, Station de radioastronomie, Observatoire de Paris. contactC : stéphane bosse Ingénieur de Recherche CNRS Station de radioastronomie de Nançay +33 (0)2 48 51 88 01 stephane.bosse@obs-nancay.fr 14 – MAGAZINE DE L’OBSERVATOIRE N°12/SEpTEMBRE 2009 nançay/recherche uNE puCE INTELLIGENTE pOuR LA RADIOASTRONOMIE AN INTELLIGENT ChIp fOR RADIO ASTRONOMY pour voir loin, il faut voir grand ! avec une surface collectrice totale d’un million de mètres carrés, square kilometer array (ska) sera le plus grand radiotélescope jamais construit ! la station de radioastronomie de nançay, service scientifique de l’observatoire de paris, est impliquée à plus d’un titre dans le projet notamment à travers son laboratoire de microélectronique qui conçoit les circuits intégrés de demain. In order to see far, one has to think big. with a collecting area of one million square metres, Square kilometre Array (SkA) will be the largest radio telescope ever built. The Nançay Radio Astronomy Station, a scientific department of the Observatoire de paris, is involved in the project in various ways, most notably through its microelectronics laboratory, which is designing the integrated circuits of the future. Pour élaborer un instrument aussi performant et novateur que sKa, il faut définir des concepts technologiques inédits et innovants, dont des circuits intégrés aidant à la réception et au traitement des signaux. le laboratoire de microélectronique installé au cœur de la station de radioastronomie de nançay est aujourd’hui bien placé dans la compétition internationale qui s’est instaurée pour la mise au point de ces puces. les ingénieurs y ont conçu une puce produite à plus de 4 700 exemplaires pour le premier instrument de démonstration du projet européen embrace (european multi-beam radio-astronomy concept) et continuent leurs développements pour la phase suivante du projet baptisée aaVP (aperture array Verification Program). la meilleure technologie baptisé beamformerchip, ce circuit intégré participe aux traitements des signaux provenant des 72 antennes d’une tuile d’embrace en les regroupant par quatre, et en créant deux champs d’observations (deux faisceaux, « beams ») indépendants l’un de l’autre. cette asic (applicationspecific integrated circuit) a été conçue par les microélectroniciens de nançay pour répondre au cahier des charges établi par l’institut néerlandais astron, en charge du développement d’embrace. ce circuit intégré regroupe donc des fonctionnalités uniques et définies sur mesure. le beam-formerchip a été conçu en utilisant des transistors rapides venant d’une technologie à faible coût (bicmos 0,25 µm) et innovante (nXP - new experience Philips) qui permet d’intégrer de nombreuses fonctionnalités tout en réduisant au mieux la taille de la puce. séduite par ces qualités, l’équipe d’astron a décidé d’abandonner les tests qu’elle menait sur son propre circuit intégré et d’utiliser celui de la microélectronique de nançay… plus performant ! forte de son succès, l’équipe française poursuit ses études et conceptions afin d’améliorer encore les qualités de cette puce. elle y intègre de nouvelles fonctions en cours de développement comme, par exemple, des amplificateurs ultras faibles bruit, mélangeur, échantillonneur-bloqueur, convertisseur analogique-numérique… building such an advanced and innovative instrument as sKa requires the development of new technology, such as integrated circuits for the reception and processing of signals. the microelectronics laboratory at the nançay radio astronomy station has a head start on the international competition to develop these chips. nançay engineers have designed a chip and 4,700 of them were manufactured for the first demonstrator of the european multi-beam radio-astronomy concept (embrace) project, and are already working on the next phase, known as aperture array Verification Program (aaVP). the best technology beamformerchip is the name given to the integrated circuit for the processing of signals coming from the 72 antennas of one embrace tile. the circuit combines the four input signals, coming from the antennas, into two independent beams. this applicationspecific integrated circuit (asic) was designed by the nançay engineers to meet the specifications established by astron, the netherlands institute for radio astronomy that is developing embrace. this integrated circuit has therefore certain unique, custom-made features. the beamformerchip uses fast transistors involving low-cost 0.25 µm bicmos technology and innovative new experience Philips (nXP) technology in an integrated chip of reduced size. the appeal of these features prompted the astron team to abandontests of their own integrated circuit and adopt the more efficient nançay design. in the wake of this success, the french team is working to further improve the performance of their chip by integrating other functions such as ultra low noise amplifiers, mixer, sampler-blocker, and analog-to-digital converter. La puce, mise ici en boîtier, comparée à une pièce de 1 centime d’euro./The chip in its casing, next to a 0,01 euro coin. S. Bosse, Station de radioastronomie, Observatoire de Paris. (1) Voir Magazine de l’Observatoire de Paris, n o 11, janvier 2009, p.18./See Observatoire de Paris : The Magazine, n o 11, January 2009, p.18.
recherche/syrte MAGAZINE DE L’OBSERVATOIRE N°12/SEpTEMBRE 2009 – 15 ATOMES à L’uNISSON, hORLOGE DE pLuS GRANDE pRéCISION ThE quEST fOR AN EVER MORE ACCuRATE ATOMIC CLOCk la science de la mesure ne cesse de repousser les limites de la précision. après l’emploi du refroidissement d’atomes dans les horloges du laboratoire systèmes de référence temps espace - syrte, c’est au tour des condensats de bose-einstein d’apporter de nouvelles perspectives. The science of measurement keeps pushing back the limits of the possible. After having developed clocks based on cold atoms, scientists at the Time-Space Reference Systems Department (SYRTE) now turn to Bose-Einstein condensates in their quest for even more accuracy. les horloges atomiques, qui permettent de mesurer le temps avec des précisions inégalées, sont utilisées aussi bien en astronomie ou en physique fondamentale que dans les télécommunications ou le système de positionnement GPs. leur principe : mesurer le plus exactement possible la fréquence (9 192 631 770 hertz) correspondant au décalage d’énergie entre les deux états fondamentaux de l’atome de césium. or, le mouvement des atomes perturbe cette mesure. d’où l’intérêt de les refroidir davantage, en formant un condensat de bose-einstein. Prévue dès 1924 par alberteinstein qui se basait sur les calculs du physicien indien satyendranath bose, la condensation de boseeinstein a constitué pendant des décennies le graal pour de nombreux physiciens du monde entier. réalisée pour la première fois en 1995 par deux équipes américaines, elle leur a valu le prix nobel en 2001. Pour produire un tel condensat, étrange état de la matière où les particules se trouvent toutes dans le même état quantique et se comportent comme si elles ne faisaient qu’une seule et même entité, il faut refroidir un nuage d’atomes à une température proche du zéro absolu (quelques dizaines de milliardièmes de kelvin). ce défi, des chercheurs du syrte viennent de le relever en produisant les premiers condensats d’atomes de rubidium au cœur d’un dispositif d’horloge atomique, remarquable par sa taille réduite. piégés sur une puce alors que les horloges à atomes froids mesurent souvent plusieurs mètres de haut et sont donc difficiles à transporter, le cœur de l’horloge « tacc - trapped atom clock on a chip » tient sur une puce de quelques centimètres-carrés. Grâce à ce dispositif, l’équipe du syrte vient de réaliser la première horloge atomique capable d’interroger alternativement des atomes froids classiques et des condensats de bose-einstein, apportant ainsi des éléments précieux de comparaison entre ces deux régimes fondamentalement différents. Pour produire les condensats, les chercheurs refroidissent et confinent un nuage d’atomes de rubidium, référence secondaire pour définir la seconde, dans un piège magnétique créé par les circuits de la puce. le piège compense la gravité et l’expansion du nuage d’atomes due à la température résiduelle, permettant ainsi des durées d’observation d’une seconde ou plus. les atomes ayant une température bien inférieure au microKelvin se trouvent à des distances allant de quelques microns à un millimètre de la surface de la puce, elle-même à température ambiante. cette géométrie innovante ouvre ainsi la voie à la réalisation d’horloges présentant des dimensions très réduites mais avec de hautes stabilités et exactitudes. elle permettra aussi à de nouveaux dispositifs métrologiques de voir le jour, comme des capteurs inertiels de très hautes performances. atomic clocks, which enable the measurement of time with unparalleled accuracy, are used not only in astronomy and fundamental physics but also in telecommunications and the GPs positioning system. their principle : measuring as accurately as possible the frequency (9,192,631,770 hertz) corresponding to the energy difference between the two fundamental states of the caesium atom. but this measurement is disturbed by the motion of the atoms, hence the interest in cooling them even more by creating a bose-einstein condensate. already in 1924, alberteinstein had predicted the phenomenon, based on calculations by the indian physicist satyendranath bose. during several decades, boseeinstein condensation remained the holy grail for many physicists around the world. in 1995, two american teams produced the first gaseous condensate and were awarded the 2001 nobel Prize for their achievement. to obtain such a condensate, a strange state of matter in which particles are all in the same quantum state and behave as if they were a single entity, a cloud of atoms has to be cooled to a temperature within a few ten-billionths of a degree Kelvin above absolute zero. it is a challenge that syrte scientists have just met by producing the first rubidium atom condensates in an atomic clock device of remarkably small size. 1 2 3 4 5 6 7 8 trapped on a chip while cold-atom clocks are often several metres high and therefore difficult to carry around, the heart of the trapped atom clock on a chip (tacc) fits onto a chip only a few square centimetres in size. thanks to this device, the team from syrte has just built the first atomic clock capable of alternatively interrogating classical cold atoms and bose-einstein condensates, allowing for a comparison between these two fundamentally different regimes. in order to produce the condensates, scientists cool and stock a rubidium atom cloud, a secondary reference for the definition of the second, in a magnetic trap created by the chip circuits. the trap compensates for gravity and the expansion of the atom cloud due to the residual temperature, thereby allowing observation times of one second or more. atoms with a sub-micro Kelvin temperature are kept between a few microns and one millimetre of the chip surface, which is at room temperature. this innovative geometry opens the way for the development of highly stable and accurate clocks of transportable size. it willalso make possible the creation of new metrological devices, such as very-high performance inertial sensors. Le dIsposItIf tacc à l’Observatoire de Paris./TACC at the Observatoire de Paris. Claude Courtecuisse. contactC : peter rosenbusch Ingénieur-chercheur LNE SYRTE +33 (0)1 40 51 22 37 peter.rosenbusch@obspm.fr Atomes ultra froids obtenus dans l’horloge TACC. Un nuage d’environ 2 000 atomes est photographié après 20 millisecondes de chute libre. La taille de chaque photo est 200 mm x 200 mm. La température du nuage descend de 300 nK (nanoKelvin) pour l’image 1 à 50 nK pour l’image 8. L’image 1 montre un nuage d’atomes froids ayant un comportement thermique, dont la taille après expansion est assez importante. L’image 8 montre un condensat de Bose-Einstein, dont la taille réduite démontre la faible dispersion en vitesse. Ceci est une source d’atomes mono-cinétiques idéale, équivalente au laser en optique./Ultra-cold atoms obtained in the TACC clock. A cloud of about 2,000 atoms is photographed after 20 milliseconds of free fall. The size of each photograph is 200 by 200 microns. The cloud temperature decreases from 300 nK (nanoKelvin) in image 1 down to 50 nK in image 8. Image 1 shows a cold atom cloud having a thermal behaviour, and whose size after expansion is considerable. In image 8, a Bose- Einstein condensate whose small size indicates a weak dispersion in speed. This is an ideal source of monokinetic atoms, equivalent to an optical laser. DR.



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