Comment fonctionne une horloge atomique ?

Lorsque l'électricité est coupée puis rétablie, comment savez-vous à quelle heure régler vos horloges ? Vous êtes-vous déjà demandé comment l'heure est réglée ?

Aux États-Unis, par exemple, l'étalon du temps est régulé par l'horloge maîtresse de l'US Naval Observatory (USNO), la source officielle du temps pour le ministère de la défense. Les effets de ces mécanismes sont ressentis par chacun d'entre nous sous la forme de réveils, d'ordinateurs, de répondeurs et d'horaires de réunions. Dans cet article de Petit Réveil ®, nous allons tout apprendre sur les horloges atomiques et sur la façon dont elles font tourner le monde !

⏰ Découvrez notre collection des radios réveil numérique.

1. C'est Quoi une horloge atomique ?

Afin de déterminer un temps exact, les atomes de césium sont mesurés dans différents états énergétiques :

Les atomes de Cs sont vaporisés dans un four et triés magnétiquement, de sorte que seuls les atomes d'un état énergétique faible atteignent ce que l'on appelle le résonateur à cavité. Dans cette cavité, les atomes sont animés pour changer d'état par irradiation avec un champ de micro-ondes. Les atomes qui ont changé d'état sont alors collectés dans une chambre spéciale. Comme la quantité collectée est la plus importante à une certaine fréquence du champ de micro-ondes, cette fréquence est maintenue et comptée.

Après exactement 9 192 631 770 périodes, une seconde s'est finalement écoulée.

Au cours d'une année, la déviation de cette horloge est au maximum de 25-12 milliardièmes de seconde par rapport à une horloge idéale. Pour une montre à quartz, la déviation est de quelques secondes par mois, les montres-bracelets mécaniques présentent des déviations nettement plus importantes. Il existe un test spécial dit de chronomètre pour les montres mécaniques, qui n'est réussi qu'avec une déviation moyenne maximale de -2 à +4 minutes par mois.

2. Histoire de l'horloge atomique

Dès les années 1930, le physicien américain Isidor Rabi a proposé de concevoir une horloge atomique. Rabi avait mené des recherches approfondies sur la méthode de résonance magnétique.

En 1946, la première horloge atomique du monde a été présentée et en 1949, le National Bureau of Standards (NBS) du Maryland/USA (aujourd'hui NIST) a développé une horloge atomique utilisant des molécules d'ammoniac comme source de vibrations. Cette horloge atomique a été révisée en 1952 et fonctionne désormais avec des atomes de césium (appelée NBS-1).

En 1955, le National Physical Laboratory a présenté une horloge au césium encore plus précise, mise au point par les physiciens Louis Essen et J. V. L. Parry.

Rapidement, le temps atomique a été défini comme un standard international pour la seconde, car ces horloges permettaient d'obtenir des résultats d'une précision incomparable.

En octobre 1967, la durée d'une seconde dans le système international d'unités a été définie comme étant 9 192 631 770 fois la durée périodique du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux de structure hyperfine de l'état fondamental des atomes du nucléide 133C.

Depuis lors, la précision des horloges atomiques a été continuellement améliorée. Ainsi, l'écart-type relatif par rapport à la seconde idéale du SI à la fin des années 1990 était d'environ 5*10-15 (correspond à un écart d'une seconde en 20 millions d'années).

Les horloges atomiques les plus récentes fonctionnent sur la base d'atomes décélérés thermiquement dans ce que l'on appelle la "fontaine de césium", dans laquelle les atomes de césium sont refroidis à tel point qu'ils ne sont plus rapides que d'environ un centimètre par seconde, ce qui augmente encore leur précision.

Dans la "fontaine", les atomes ainsi ralentis sont finalement accélérés vers le haut par un laser et parcourent une trajectoire balistique. Avec des micro-ondes irradiées, le temps d'interaction effectif des atomes est alors prolongé et on obtient une détermination plus précise de la fréquence.

A partir des horloges atomique, l'information de temps doit être transmise sous une forme appropriée sur de longues distances. Pour apprendre plus sur ce sujet, voici un article sur la transmission des signaux horaires.

3. Les horloges atomiques sont-elles radioactives ?

Les horloges atomiques donnent l'heure mieux que toute autre horloge. Elles donnent même l'heure mieux que la rotation de la Terre et le mouvement des étoiles. Sans les horloges atomiques, la navigation par GPS serait impossible, l'Internet ne serait pas synchronisé et la position des planètes ne serait pas connue avec suffisamment de précision pour que les sondes spatiales et les atterrisseurs puissent être lancés et surveillés.

Les horloges atomiques ne sont pas radioactives. Elles ne dépendent pas de la désintégration atomique. Elles possèdent plutôt une masse oscillante et un ressort, tout comme les horloges ordinaires.

La grande différence entre une horloge standard chez vous et une horloge atomique est que l'oscillation dans une horloge atomique se fait entre le noyau d'un atome et les électrons qui l'entourent. Cette oscillation n'est pas exactement comparable au balancier et au spiral d'une montre à quartz, mais le fait est que les deux utilisent des oscillations pour suivre le temps qui passe. Les fréquences d'oscillation au sein de l'atome sont déterminées par la masse du noyau et le "ressort" gravitationnel et électrostatique entre la charge positive du noyau et le nuage d'électrons qui l'entoure.

4. Quels sont les types d'horloges atomiques ?

Aujourd'hui, bien qu'il existe différents types d'horloges atomiques, le principe qui les sous-tend reste le même. La principale différence est liée à l'élément utilisé et aux moyens de détection du changement de niveau d'énergie. Les différents types d'horloges atomiques sont les suivants :

• Les horloges atomiques au césium

Les horloges atomiques au césium utilisent un faisceau d'atomes de césium. L'horloge sépare les atomes de césium de différents niveaux d'énergie par un champ magnétique.

• Les horloges atomiques à hydrogène

Les horloges atomiques à hydrogène maintiennent les atomes d'hydrogène au niveau d'énergie requis dans un récipient dont les parois sont constituées d'un matériau spécial, afin que les atomes ne perdent pas trop rapidement leur état d'énergie supérieur.

• Les horloges atomiques au rubidium

Les horloges atomiques au rubidium, les plus simples et les plus compactes de toutes, utilisent une cellule en verre de rubidium gazeux qui modifie son absorption de la lumière à la fréquence optique du rubidium lorsque la fréquence des micro-ondes environnantes est juste.

Les horloges atomiques les plus précises disponibles aujourd'hui utilisent l'atome de césium et les champs magnétiques et détecteurs normaux. En outre, les faisceaux laser empêchent les atomes de césium d'aller et venir, ce qui réduit les petites variations de fréquence dues à l'effet Doppler.

5. Comment fonctionne une horloge atomique pratique au césium ?

Les atomes ont des fréquences d'oscillation caractéristiques. La fréquence la plus connue est sans doute la lueur orange que produit le sodium du sel de table lorsqu'il est saupoudré sur une flamme. Un atome aura de nombreuses fréquences, certaines aux longueurs d'onde radio, d'autres dans le spectre visible, et d'autres encore entre les deux. Le césium 133 est l'élément le plus couramment choisi pour les horloges atomiques.

Pour transformer la résonance atomique du césium en horloge atomique, il est nécessaire de mesurer avec précision l'une de ses fréquences de transition ou de résonance. Cela se fait normalement en verrouillant un oscillateur à cristal sur la principale résonance micro-onde de l'atome de césium. Ce signal se situe dans la gamme des micro-ondes du spectre radioélectrique, et se trouve être à la même fréquence que les signaux de diffusion directe par satellite. Les ingénieurs savent très bien comment construire des équipements dans cette zone du spectre.

Pour créer une horloge, le césium est d'abord chauffé afin que les atomes se détachent et passent dans un tube maintenu sous un vide poussé. Ils traversent d'abord un champ magnétique qui sélectionne les atomes ayant le bon état énergétique, puis un champ de micro-ondes intense. La fréquence de l'énergie micro-ondes balaie en avant et en arrière une gamme étroite de fréquences, de sorte qu'à un moment donné dans chaque cycle, elle croise la fréquence d'exactement 9 192 631 770 Hertz (Hz, ou cycles par seconde). La gamme du générateur de micro-ondes est déjà proche de cette fréquence exacte, car elle provient d'un oscillateur à cristal précis. Lorsqu'un atome de césium reçoit de l'énergie micro-ondes à la fréquence exacte, il change d'état énergétique.

À l'extrémité du tube, un autre champ magnétique sépare les atomes qui ont changé d'état énergétique si le champ de micro-ondes était exactement à la bonne fréquence. Un détecteur situé à l'extrémité du tube émet un signal de sortie proportionnel au nombre d'atomes de césium qui le frappent, et présente donc un pic de sortie lorsque la fréquence des micro-ondes est exactement correcte. Ce pic est ensuite utilisé pour effectuer la légère correction nécessaire pour amener l'oscillateur à cristal et donc le champ de micro-ondes exactement à la même fréquence. Cette fréquence verrouillée est ensuite divisée par 9 192 631 770 pour donner la fameuse impulsion par seconde requise par le monde réel.

6. Comment le temps atomique est-il mesuré ?

La fréquence correcte de la résonance particulière du césium est maintenant définie par un accord international comme étant de 9 192 631 770 Hz, de sorte que lorsqu'elle est divisée par ce nombre, la sortie est exactement de 1 Hz, ou 1 cycle par seconde.

La précision à long terme que peuvent atteindre les horloges atomiques modernes au césium (le type le plus courant) est meilleure qu'une seconde par million d'années. Les horloges atomiques à hydrogène présentent une meilleure précision à court terme (une semaine), soit environ 10 fois la précision des horloges atomiques au césium. Par conséquent, les horloges atomiques ont augmenté la précision de la mesure du temps d'environ un million de fois par rapport aux mesures effectuées au moyen de techniques astronomiques.

La National Company du Massachusetts a produit les premières horloges atomiques commerciales utilisant du césium. Aujourd'hui, elles sont produites par différents fabricants, dont Hewlett Packard, Frequency Electronics et FTS. Les nouvelles technologies continuent d'améliorer les performances. Les horloges atomiques au césium de laboratoire les plus précises sont des milliers de fois meilleures que les unités produites commercialement.

7. Horloge optique

Alors que les horloges atomiques étaient jusqu'à présent basées sur la mesure de la fréquence d'une résonance atomique, les horloges optiques utilisent la fréquence de la lumière, car la lumière visible a une fréquence environ 50 000 fois plus élevée que le rayonnement micro-ondes utilisé dans le césium.

L'objectif est d'atteindre une précision mesurable encore plus élevée avec une horloge atomique qui fonctionne avec une résonance optique. Cela fait l'objet de recherches depuis plusieurs années.

Les chercheurs s'approchent de cet objectif par des expériences sur des éléments qui présentent des transitions appropriées aux longueurs d'onde optiques. De cette manière, des fréquences de centaines de TeraHz sont atteintes, ce qui est nettement plus élevé que les 9 GHz classiques. Un laser est stabilisé sur une transition à bande étroite et des atomes individuels sont stockés dans un piège atomique. Ensuite, la stabilité de la fréquence de cette lumière laser est transférée avec un peigne de fréquence à un signal électrique périodique sans perte de précision.

L'horloge atomique optique, qui a été présentée par des physiciens du JILA à Boulder (Colorado) en février 2008, est basée sur des atomes de 87Strontium polarisés en spin et piégés dans un réseau de lumière laser.

La PTB de Braunschweig a réussi à vérifier une fréquence de 429.228.004.229.874 ±1 Hz à l'aide de son peigne de fréquence transportable.

En coopération avec le NIST dans le Maryland/USA, la précision (à ne pas confondre avec l'exactitude) d'une horloge atomique optique avec des atomes polarisés en spin (environ 10000 atomes d'ytterbium) pourrait être améliorée à 10-18 à la PTB.

En 2012, la Chine a également présenté une horloge optique à base d'ions calcium développée à l'Académie des sciences de Wuhan.

8. Quelques définitions:

• Horloge atomique : Horloge de précision dont le fonctionnement dépend d'un oscillateur électrique régulé par les fréquences de vibration naturelles d'un système atomique (comme un faisceau d'atomes de césium).
• Atome : La plus petite particule d'un élément qui peut exister seule ou en combinaison ; l'atome est considéré comme une source d'énergie potentielle considérable.
• Césium 133 : Isotope du césium utilisé notamment dans les horloges atomiques et dont l'une des transitions atomiques est utilisée comme étalon de temps scientifique.
• Seconde SI (seconde atomique) : Intervalle de temps nécessaire pour accomplir 9 192 631 770 oscillations de l'atome de césium 133 exposé à une excitation appropriée.