Voici comment fonctionnent les horloges atomiques, les horloges les plus précises

Les outils qui nous aident à mesurer et à compter le temps qui passe sont les horloges, mais les horloges atomiques ont sans aucun doute un avantage supplémentaire : voyons ce qu'elles sont et comment ces puissants engins fonctionnent.

Comment fonctionnent les horloges atomiques ?

Svdmolen/Wikimedia commons - Public Domain

Les montres-bracelets et les horloges domestiques nous aident à connaître l'heure et à être ponctuels, mais les horloges atomiques restent inégalées : ce sont en effet les instruments de mesure du temps les plus précis jamais créés à ce jour. Leur marge d'erreur est d'environ une seule seconde sur une période de cent millions d'années : ces dispositifs sont conçus pour estimer la durée exacte d'une seconde. Depuis 1967, selon le Système international d'unités (SI), une seconde est le temps nécessaire à un atome de césium-122 pour osciller 9 milliards, 192 millions, 631 mille et 770 fois. Mais comment fonctionnent exactement les horloges atomiques ?

Dans ces dispositifs, les oscillations des atomes agissent comme le pendule d'une horloge classique, mais avec une précision extrêmement supérieure. Bien qu'il existe différents types d'horloges atomiques, leur fonctionnement est plus ou moins le même : les atomes sont surchauffés dans un four et regroupés sur un faisceau. Chacun d'entre eux possède deux états d'énergie, appelés niveaux hyperfins, et un champ magnétique se charge d'éliminer tous les atomes "B" pour ne laisser que les "A. À ce stade, les atomes de l'état "A" traversent un résonateur et subissent le rayonnement des micro-ondes, se transformant en atomes de l'état "B". Un deuxième champ magnétique élimine les atomes restants dans l'état A, tandis qu'un détecteur calcule le nombre d'atomes devenus B, lequel dépend de la fréquence du radiateur. L'objectif est de synchroniser la fréquence des micro-ondes avec l'oscillation des atomes.

Horloges atomiques, histoire et types

National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain

La précision de ces dispositifs ne cesse de progresser, et des centaines d'horloges atomiques dans le monde contribuent au calcul du TAI, le Temps Atomique International. Leur chronométrage est désormais à la base de nombreuses technologies, y compris les satellites GPS, les ordinateurs et les télécommunications. Cependant, les recherches continues d'organisations telles que le NIST et le JILA conduisent à des améliorations constantes. L'horloge atomique est une invention remontant à 1949 grâce au NIST, mais ce n'est que deux décennies plus tard qu'elle a conquis un rôle majeur dans le domaine de la technologie.

Entre-temps, les scientifiques du NIST ont conçu des horloges atomiques de nouvelle génération avec différents atomes, y compris le mercure, l'aluminium, le calcium, l'ytterbium et le strontium, tous capables d'offrir des avantages différents et potentiellement d'ouvrir la voie à de nouvelles technologies. Leur précision de plus en plus étonnante pourrait être appliquée non seulement au temps, mais également à la mesure de la gravité, de la température, des champs magnétiques, et bien plus encore. Jusqu'à il y a quelques années, le record de précision appartenait à une horloge expérimentale basée sur un seul ion de mercure, suivie par les ions d'aluminium et les dispositifs basés sur des atomes neutres froids dans des réseaux optiques, dont le NIST et le JILA sont leaders. Cette typologie comprend des milliers d'atomes de métaux lourds dans un réseau composé de faisceaux laser qui s'entrecroisent. Le NIST a également mis au point l'horloge atomique au calcium, qui s'est révélée très stable, bien que pour de courtes périodes de temps, mais surtout portable, ce qui la rend attrayante sur le plan commercial.

L'horloge atomique au strontium, la plus précise de tous les temps

National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain

La condition la plus importante pour une horloge atomique, selon les chercheurs, est la stabilité, c'est-à-dire la précision avec laquelle la durée de chaque tic de l'horloge est identique à tous les autres. Plus une horloge est stable, plus cette correspondance peut être calculée rapidement. Actuellement, le progrès le plus important en ce sens a été réalisé avec la modification d'une horloge atomique au strontium, qui a atteint des niveaux records à la fois en précision et en stabilité : ce dispositif est capable de ne pas perdre une seconde sur une période de quinze milliards d'années, soit environ l'âge de l'univers. Sa remarquable chronométrage peut avoir un impact exponentiel sur les technologies avancées et peut également être appliqué au fonctionnement d'un altimètre sensible pour détecter les changements de gravité et d'autres expériences allant au-delà de la mesure du temps. La précision de l'horloge expérimentale en réseau de strontium du JILA, institut conjoint du NIST et de l'Université du Colorado Boulder, a été multipliée par trois en un an. La stabilité, quant à elle, a augmenté de 50%. Sa puissance permet maintenant de mesurer les changements dans l'écoulement du temps et dans la gravité à des altitudes légèrement différentes : comme le théorisait Einstein, le tic-tac des horloges s'accélère à des altitudes plus élevées.

Dans cette horloge stupéfiante, plusieurs milliers d'atomes de strontium sont enfermés dans une colonne de 30x30 micromètres composée d'environ quatre cents régions formées par la lumière laser d'un réseau optique. La dernière modification a corrigé les erreurs liées au rayonnement du corps noir, c'est-à-dire la chaleur ambiante environnante, qui altérait la réponse des atomes à la lumière laser. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont ajouté deux thermomètres à résistance au platine dans la chambre à vide de l'horloge et ont créé un bouclier anti-rayonnements pour protéger la chambre atomique, permettant à l'horloge de fonctionner à température ambiante et non cryogénique. Les développements futurs pourraient amener ces horloges à des calculs allant au-delà du temps, devenant des outils de plus en plus précis et puissants, capables même de remplacer les marées dans les études géomagnétiques.