Dr Mark Oxborrow, du National Physical Laboratory, témoigne de son expérience de partenariat avec une équipe de chercheurs français de Besançon.
Le projet a facilité les interactions, dans le domaine des étalons d’hyperfréquence 1 , entre les étudiants et les chercheurs du Laboratoire de Physique et Métrologie des Oscillateurs (LPMO)-CNRS, Institut FEMTO-ST, de Besançon et nous qui sommes chercheurs au National Physical Laboratory (NPL) de Teddington (Londres). Notre hôte au LPMO était Vincent Giordano, Directeur de recherches au CNRS.
Je commencerai pas une description succincte de nos activités d'échange en 2004 et de quelques résultats concrets qui ont pu être constatés au fil du temps. Pour mettre les choses en perspective, je dois préciser que les installations et les programmes de recherche du National Physical Laboratory sont gérés pour le compte de l’Etat britannique par la filiale d'une société commerciale. En ma qualité de chef de projet pour le PN 04.059 du côté britannique, j’ai eu pour mission de concilier les pressions commerciales et les obligations contractuelles du NPL, d’une part, et les objectifs et l’esprit du programme Alliance, de l’autre. Je pense qu’après avoir terminé la lecture de ce rapport, le lecteur trouvera que j’y suis à peu près parvenu.
Après le bilan des grandes étapes techniques du NPL effectué à la fin de l’automne 2003, il est apparu que cela ne rimait plus à rien de se lancer dans le développement d'un synthétiseur de micro-ondes décrit en détail dans la demande initiale (juin 2003) adressée au British Council pour ce projet. Mon partenaire de projet (Vincent) et moi-même avons donc décidé de nous atteler ensemble à une tâche différente, encore qu’apparentée et tout aussi stimulante, à savoir l’étude et l’installation au LPMO d'une boucle d’asservissement de commande de puissance hyperfréquence 2. En outre, il s’est avéré que nous avons mis la main sur une heureuse découverte tout à fait passionnante qui a débouché sur les deux présentations de conférence annexées à ce rapport. Vincent et son doctorant, Pierre-Yves Bourgeois, ont séjourné ici, au National Physical Laboratory de Teddington (une ville de la banlieue sud-ouest de Londres) du 29 mars au 2 avril 2004, juste avant le Forum Européen Fréquence et Temps (EFTF) organisé à l’université du Surrey à Guildford du 5 au 7 avril 2004, auquel nous avons assisté tous ensemble.
Nous avons effectué deux séjours en France
Premier séjour : Giuseppe Marra et moi-même (Mark Oxborrow) avons séjourné au Laboratoire de Physique et Métrologie (LPMO) de Besançon durant la semaine du 31 mai au 4 juin 2004, au moment où l’un des oscillateurs saphir3 du LPMO avait été refroidi à la température de l’hélium liquide (soit ~4° Kelvin) et était parfaitement opérationnel. Nous avions emporté dans nos bagages une grande quantité de composants hyperfréquence du NPL et ce fut une véritable épreuve que d’expliquer aux agents de sécurité du terminal Eurostar de la gare de Waterloo le pourquoi et le comment de la présence de ces gadgets ! Nous avons reconfiguré l’oscillateur du LPMO en installant plusieurs de nos composants, y compris la boucle d’asservissement de la commande de puissance, dans l’espoir d’améliorer la stabilité de cet oscillateur. Le graphique ci-dessous illustre une version du montage du LPMO la boucle d’asservissement est indiquée en rouge. Lorsque nous sommes repartis, nous avons laissé en place les composants du NPL, permettant ainsi à Vincent et à ses collègues de les évaluer pendant plusieurs mois.
(source : thèse de doctorat de P-.Y. Bourgeois)
Je dois dire que notre circuit d’asservissement n’a malheureusement pas réussi à améliorer la stabilité de leur oscillateur, car il existait une source d’instabilité plus forte et non supprimée qui reste encore à identifier. Une fois de plus, l’application insolemment cohérente (encore que parfois assez indulgente) des lois de la physique par Dame Nature a été pour nous une leçon d’humilité !
Grâce aux dispositions prises par nos hôtes, nous avons pu visiter plusieurs autres installations extérieures au LPMO mais en rapport avec nos travaux de recherche sur la métrologie temps et fréquence. Non loin du LPMO, nous sommes allés voir un maser à hydrogène4 qui nous a permis de comprendre la liaison en fibre optique assurant le renvoi du signal de sortie de ce maser vers le labo de Vincent. Toutes ces visites, et notamment certaines conversations impromptues avec des spécialistes locaux rencontrés chemin faisant, ont été extrêmement instructives du point de vue technique. Un temps fort, à la fois sur le plan scientifique et culturel, pour Giuseppe et moi-même a été la visite à titre privé du vieil observatoire de Besançon avec, pour guide, son directeur actuel François Vernotte. Entre autres instruments merveilleusement ésotériques datant de la fin du XIXe siècle et du début du XXe, François nous a montré une énorme lunette méridienne 5, toujours installée dans son propre bâtiment majestueux qui a été judicieusement construit de manière à maintenir la précision de la lunette.
En fait, nous sommes restés à Besançon jusqu’au dimanche 6, profitant de la fermeture du LPMO le samedi pour faire une excursion à bicyclette le long du Doubs. Connaissant peu ou pas du tout la Franche-Comté, je dois dire que j’ai trouvé Besançon, et surtout la vieille ville bordée par les rives du Doubs et dominée par son imposant château, d’une étonnante beauté.
Les quatre principaux participants à l’échange (de gauche à droite); Giuseppe Marra (NPL), Vincent Giordano (LPMO), Mark Oxborrow (NPL) et Pierre-Yves Bourgeois (LPMO).
Durant notre séjour, Vincent nous a parlé d’un curieux phénomène de “bistabilité” 6 que ses collègues (Yann Kersalé et Pierre-Yves Bourgeois) et lui avaient constaté et qu’ils ne s’expliquaient pas complètement. Le dernier jour (au labo du LPMO), ils nous ont fait une démonstration de ce phénomène. J’avoue que j’étais un peu sceptique quant à son existence. Dans le train qui m’a ramené en Angleterre, j’ai tourné et retourné dans ma tête ce que j’avais vu et, au bout d’une quinzaine de jours, j’ai commencé à entrevoir une théorie physique susceptible d’expliquer les faits expérimentaux. Après avoir été examinées plusieurs fois avec Vincent et ses collègues, ces idées ont débouché sur deux résumés de conférences (annexe II) et un article de journal (à revoir par des pairs) que nous sommes en train de rédiger (et qui devront probablement être soumis à Applied Physics Letters).
Deuxième séjour: je me suis rendu seul au LPMO du lundi 13 au mercredi 16 décembre 2004, le motif principal de ce séjour étant la soutenance de thèse de Pierre-Yves à laquelle j’avais été invité pour faire partie du jury. En fait, cette soutenance a également été pour moi une véritable "expérience" (au sens anglais et français du terme), car je n’avais jamais assisté ni participé à ce genre de spectacle. J’ai poliment posé au candidat un série de questions techniques, ce qui, de la part de quelqu’un parlant un français poussiéreux du niveau brevet et ayant des neurones sur le déclin, était plutôt courageux ou téméraire, voire un peu des deux. Le candidat a soutenu avec succès. Après avoir récupéré de quelques très sérieuses festivités d’après-soutenance, Vincent, Pierre-Yves et moi avons cherché le moyen de décrire au mieux le phénomène de bistabilité en vue de sa présentation pour publication.
Mon voyage de retour de Besançon à Londres par le train a également été passablement animé. Dans un crépitement d’étincelles, une énorme volute de fumée verdâtre s’est élevée au-dessus de mon wagon et, peu après, le TGV est tombé en panne en pleine voie. Après avoir été débarqué dans un champ glacé et boueux, sauvé de ce champ par une flotte d’autocars, mis dans un train régional (à Dijon), je suis arrivé Gare de Lyon avec plus de quatre heures de retard. L’avis totalement favorable que j’avais autrefois sur les infrastructures françaises en a été fortement ébranlé !
Entre les travaux scientifiques, nous avons eu plusieurs occasions de rencontres et de discussions informelles, notamment sur les avantages et les inconvénients des systèmes et organisations qui, à différents niveaux, touchent notre vie professionnelle. Les différences sont vraiment tout à fait fondamentales et criantes. Nous leur avons expliqué ce que la "contractualisation" signifiait concrètement, les dérogations spécifiquement britanniques à la législation européenne sur le temps de travail (et donc l’ignorance totale qu’ont les travailleurs britanniques de cette législation), sans parler de la semaine de 35 heures en France, ainsi que la distinction entre les régimes de retraite fondés sur le "rachat financier" et le "dernier salaire". A leur tour, Vincent et ses collègues nous ont expliqué – de manière assez approfondie – comment la (tentative de) réorganisation du système universitaire français et du CNRS pouvait affecter leur métier de chercheur et comment leur temps risquait à l’avenir d’être partagé différemment entre l’enseignement, les tâches administratives et la recherche en laboratoire proprement dite. J’en ai retiré l’impression générale – peut-être encore naïve – que ce n’était encore pas trop mal d’être chercheur en France, en tout cas au CNRS.
Vincent et moi-même avons organisé chacun un dîner à nos domiciles respectifs en l’honneur de tous les participants – visiteurs et hôtes – à l’échange. Nous devons tous deux remercier nos épouses pour avoir préparé ces dîners et avoir poliment supporté plusieurs heures de "joyeux" bavardage technique.
Pour conclure, je dirai que les deux partenaires ont retiré de cette interaction un expérience importante et de nature à modifier les points de vue. Nous sommes désormais tous deux en position plus forte pour appliquer ensemble le financement européen à mesure que les occasions (peut-être liées à des améliorations futures du GPS "Galileo") se présenteront. Mon français s’est amélioré d’un iota. Grâce à ce bon vieux heureux hasard scientifique, il est ressorti de cet échange au moins un travail de recherche véritablement nouveau et pouvant être publié. De plus, rares sont les Anglais qui peuvent se vanter d’avoir mangé au petit-déjeuner des tartines de marmite et cancoillotte – même s’il m’est vraiment difficile de le conseiller !
Dr. Mark Oxborrow
Principal Research Scientist
National Physical Laboratory
Quantum Detection Group
Queens Road
Teddington, Middlesex
United Kingdom TW11 0LW
mo@npl.co.uk
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1On trouvera une présentation historique générale des normes de temps et de fréquence sur http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html Le concept fondamental de stabilité de la fréquence est expliqué de manière pédagogique sur http://www.boulder.nist.gov/timefreq/phase/Properties/main.htm ..
2Circuit électronique permettant de maintenir activement la puissance d'un signal hyperfréquence à un niveau constant. Il contient à la fois un dispositif de mesure de la puissance et un dispositif permettant de modifier celle-ci. Entre les deux se trouve le "cerveau" du circuit – d’où le mot asservissement – sous forme de filtre électronique (actif) qui calcule en continu le bon réglage à appliquer.
3L’oscillateur saphir produit un signal électrique "CA" sinusoïdal. Par rapport au courant secteur normal à 50 Hz, la fréquence du signal, c’est-à-dire le nombre de cycles par seconde, est près d’un milliard de fois plus élevée (généralement de l’ordre de 12 GHz), mais aussi et surtout, la fréquence est extrêmement constante dans le temps. Au cœur de l’oscillateur se trouve un morceau court et cylindrique de saphir monocristallin d’une grande pureté, présentant grosso modo la taille et la forme d’une petite boîte de thon. Lorsqu’il est refroidi à des températures cryogéniques, ce cylindre de saphir soutient une résonance électromagnétique extraordinairement étroite sur laquelle on peut construire un oscillateur à fréquence extrêmement stable.
4Le maser à hydrogène est un autre dispositif, totalement différent, pour la production de fréquences stables. Contrairement à l’oscillateur saphir, la résonance sur laquelle il est fondé est la transition de 1,42 GHz entre deux niveaux quantiques ("hyperfins") dans le spectre de l’atome d’hydrogène. On peut évaluer la stabilité à long terme d'un oscillateur saphir en le comparant à ce type de maser. Voir, par exemple, , http://tycho.usno.navy.mil/maser.html .
5La lunette méridienne est un appareil optique permettant de déterminer avec précision les moments où des étoiles et des planètes passent à un méridien astronomique défini (comme le méridien de Greenwich). Avant la mise en place au XXe siècle des horloges électroniques et atomiques plus précises, les appareils de ce type servaient à étalonner les horloges – voir http://www.obs-besancon.fr/article.php3?id_article=109
6La puissance HF observée risquerait de commuter brutalement entre deux niveaux distincts
7Fromage à tartiner local, de consistance visqueuse – voir http://www.interfrance.com/en/fc/ga_la-fromagerie.html
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