L'avenir de la mesure du temps - La technologie du vide est essentielle pour les horloges atomiques à fréquence optique

L'avenir de la mesure du temps - La technologie du vide est essentielle pour les horloges atomiques à fréquence optique

Les chambres sous vide qui contiennent les atomes libres sont au cœur des instruments les plus précis actuellement dédiés à la mesure du temps. Les impulsions laser agissent comme un générateur de temps pour la toute dernière génération d'horloges atomiques. Elles sont incroyablement précises.
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Qu'est-ce que le temps ? Les physiciens et les philosophes ne sont pas parvenus à répondre à cette question. Mais cela n'empêche personne de le diviser en intervalles et de le mesurer aussi précisément que possible. Les chronomètres, comme les cadrans solaires de l'Antiquité ou les horloges mécaniques verticales du Moyen Âge, constituaient des étapes importantes dans notre approche de la mesure du temps. Une avancée technique majeure a été réalisée par le mathématicien et physicien Christian Huygens au 17ème siècle. Son horloge à balancier assurait une division précise du temps en heures, minutes et secondes pour la toute première fois. Dès lors, le développement d'outils de mesure précis s'est accru. Aujourd'hui, les horloges atomiques à césium servent de base fondamentale au temps universel officiel harmonisé, et perdent une seule seconde tous les 30 millions d'années.

L'heure mondiale assurée par des horloges atomiques à césium

Ces chronomètres modernes ne possèdent pas de balanciers ni d'aiguilles. A la place, ce sont les atomes de césium qui signalent le temps qui passe. Ils sont chauffés jusqu'à ébullition et sont acheminés à travers un tube sous vide poussé. La basse pression assure que les atomes ne se heurtent pas les uns et les autres et qu'ils traversent la chambre à haute énergie. Les atomes sont ensuite soumis à des rayons micro-ondes. La fréquence appropriée, appelée "fréquence de résonance" par les physiciens, modifie le niveau d'énergie de certains atomes. Ils sont "excités" et comptés par un détecteur.

Ensuite, les fréquences micro-ondes sont ajustées jusqu'à ce que le niveau d'énergie du plus grand nombre possible d'atomes de césium change. Cela se produit de manière fiable à 9 192 631 770 Hertz, c'est-à-dire à plus de neuf milliards d'oscillations par seconde. À l'inverse, une seconde s'écoule lorsque ce nombre est atteint. Ce qui permet de définir la durée d'une seconde dans le SI (Système International d'Unités).

Une précision encore plus élevée avec les lasers

Outre les horloges à rayonnement de césium, il existe également des horloges à fontaine de césium, qui sont utilisées actuellement comme des horloges de référence pour le temps universel. Dans ces horloges, les atomes de césium sont introduits dans la chambre sous vide, sous la forme d'une fontaine, avant d'être frappés par des rayonnements à micro-ondes. Étant donné que la fréquence de résonance des atomes peut être déterminée de manière encore plus précise à l'aide de cette astuce, les horloges à fontaine perdent au maximum, une seule seconde sur une période de 40 millions d'années.

Les horloges atomiques optiques qui utilisent, par exemple, des atomes de strontium ou d'ytterbium, sont encore plus précises. Au lieu d'utiliser des micro-ondes, les atomes sont excités à l'aide de lasers sous un ultra vide. La fréquence lumineuse résultant du changement de niveau d'énergie d'un atome sert de référence à la durée d'une seconde. La fréquence est supérieure et la fréquence de transition des électrons est plus rapide, ce qui permet de diviser le temps en intervalles encore plus petits. Les horloges optiques génèrent un "tic-tac" beaucoup plus rapide et à des intervalles plus précis que les horloges à césium. Elles sont susceptibles de devenir les nouveaux chronomètres du temps universel, d'où la nécessité de redéfinir l'unité de temps que nous connaissons sous le nom de seconde. Quel que soit le processus utilisé, les différentes horloges atomiques requièrent une chambre sous vide pour leurs atomes de référence.


Nous savons tous que les horloges atomiques rythment depuis longtemps notre vie quotidienne, par exemple en réglant l'heure de nos horloges radio-contrôlées et des horloges des gares. Les systèmes GPS ne seraient pas capables d'assurer une navigation fiable sans les chronomètres atomiques : les récepteurs GPS, tels que les systèmes de navigation de nos voitures, enregistrent en permanence des informations provenant des satellites GPS qui transmettent leurs positions respectives ainsi que l'heure. Le récepteur utilise les données provenant de trois satellites pour déterminer la position exacte en calculant la différence entre la transmission et la réception des signaux. Un écart de seulement un millionième de seconde signifierait un décalage du relevé de 300 mètres.

Les horloges atomiques sont également nécessaires pour la synchronisation des réseaux de données haut débit. Les longues lignes de transmission à fibre optique doivent coordonner de manière très précise l'envoi et la réception afin d'éviter toute confusion dans les données.

Une mesure hyper-exacte du temps est également nécessaire pour les applications géodésiques et la recherche fondamentale. La toute dernière génération d'horloges contribue à mesurer le postulat d'Einstein concernant l'expansion du temps en raison de la gravité terrestre, ou elle peut nous aider à localiser la matière noire.


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