Horloge atomique

La stabilité des raies spectrales atomiques avait déjà été remarquée par Lord Kelvin en 1879[2].

Un atome passe d'un état excité d'énergie E₂ à un état plus stable d'énergie inférieure E₁ par l'émission spontanée d'un photon de fréquence :

${\displaystyle \nu ={\frac {E_{2}-E_{1}}{\mathrm {h} }}={\frac {\Delta E}{\mathrm {h} }},}$

où h = 6,626 070 040(81) × 10⁻³⁴ J.s = 4,135 667 662(25) × 10⁻¹⁵ eV.s est la constante de Planck.

À l'inverse, un atome dans un état plus stable d'énergie E₁ passera à un état excité d'énergie supérieure E₂ par l'absorption d'un photon de fréquence ν = (E₂ − E₁)/h = ΔE/h.

On connaît aussi le principe d'émission stimulée consistant pour un atome à passer d'un état d'énergie excité vers un état plus stable après la rencontre d'un autre photon. L'énergie de l'atome sera alors dissipée par l'émission d'un autre photon qui possédera les mêmes caractéristiques que le photon initiateur.

Il existe également une probabilité non nulle pour qu'un atome se trouvant dans un état excité redescende dans un état plus stable et plus faible par un processus de désexcitation non radiative, c'est-à-dire sans émettre de photon. Le système devant alors satisfaire à la relation de conservation de l'énergie, il en résultera soit un échauffement de l'atome, soit un transfert de quantité de mouvement.

Ces processus atomiques élémentaires, dont la théorie a été développée en partie par Albert Einstein, vont être à la base de toute l'interaction permettant d'élaborer un étalon atomique de mesure du temps.

L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un spectre d'émission ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition de plusieurs composantes au sein d'une même raie.

Une raie principale est donnée par le nombre quantique principal n caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va donner une série de sous-niveaux quantiques correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les diverses interactions physiques au sein de l'atome (interaction spin–orbite, effets de volume, effets de masse, etc.). Ces sous-niveaux sont en fait la cause de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On parle alors de structure fine, voire hyperfine pour certains atomes dans des conditions particulières de champ magnétique.

L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium NIST-F1 (en). Cette horloge est l'étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis, avec une incertitude de 5,10 × 10⁻¹⁶ (en 2005).

Un système physique, ici une enceinte chauffée contenant du césium, permet de créer un jet d'atomes.

Dans ce jet, seuls les atomes correspondant à l'état d'énergie initiale désiré, ici E₁, sont conservés (la sélection se faisant par déflexion grâce à un champ magnétique).

Un oscillateur à quartz (produisant un signal à 10 MHz) est multiplié afin de piloter un générateur micro-ondes à une fréquence ν′ (voisine de ν). Ce signal est ensuite injecté dans une cavité résonante dite de Ramsey.

Le jet d'atomes dans l'état E₁ passe dans la cavité de Ramsey : plus la fréquence ν′ sera proche de ν, plus grand sera le nombre d'atomes qui, par absorption de l'onde, subiront la transition vers l'état E₂.

À la sortie, le jet atomique subit une seconde déflexion magnétique qui sépare les atomes dans l'état E₂ de ceux dans l'état E₁.

Un détecteur, placé dans la trajectoire des atomes dans l'état E₂, produit un signal proportionnel au nombre de ces atomes. Plus ν′ est proche de ν, plus le nombre d'atomes E₂ compté en sortie est grand.

Un système d'asservissement ajuste en permanence la fréquence de l'oscillateur à quartz pour maximiser le nombre d'atomes dans l'état E₂, et donc conserver la fréquence de l'oscillateur proche de la fréquence optimale. La fréquence de l'oscillateur est ainsi asservie à la fréquence de la transition atomique.

Dans le cas du césium, la fréquence ν est de 9 192 631 770 Hz. Cette valeur est exacte puisque c'est celle utilisée pour définir tout à la fois la seconde et son inverse le hertz.

Le comptage du temps est ensuite assuré par une division des oscillations de l'oscillateur à quartz, associé à un circuit électronique affichant par exemple l'heure comme dans une montre à quartz.

Les oscillations peuvent aussi être utilisées directement pour piloter des dispositifs ou équipements nécessitant une fréquence de fonctionnement stable.

Les meilleures horloges au césium (en 2013) parviennent à une stabilité de l'ordre de 1 × 10⁻¹⁴ s.s⁻¹, et atteignent 2 × 10⁻¹⁶ s.s⁻¹ après plusieurs jours de fonctionnement[3]. Ceci signifie que l'horloge dérive de 2 × 10⁻¹⁶ seconde en une seconde, ce qui est souvent vulgarisé en donnant le nombre d'années nécessaire pour qu'une horloge dérive d'une seconde complète, dans ce cas une seconde en 160 millions d'années.

• 1949 : Le premier prototype est développé par le National Institute of Standards and Technology aux États-Unis[9], il utilise la molécule d'ammoniac.
• 1955 : Le National Physical Laboratory en Angleterre construit la première horloge atomique au césium.
• 1958 : Des horloges atomiques au césium commerciales sont disponibles coûtant 20 000 dollars.
• 1967 : La seconde, unité du Système international, est définie lors de la 13^e Conférence générale des poids et mesures selon les vibrations de l'atome de césium[10].

Les recherches récentes pour améliorer la précision des horloges atomiques se sont portées sur d'autres atomes (calcium, ytterbium, strontium, mercure, aluminium) piégés dans des treillis optiques dont les transitions énergétiques s'effectuent à des fréquences optiques (d'un ordre de grandeur 100 000 fois supérieur à celle de la transition de l'atome de césium; le BIPM a fixé la transition du strontium à 429 228 004 229 873.2 Hz en octobre 2015). En 2018, le JILA a construit des horloges manipulant les atomes avec des lasers dépassant la précision des meilleures horloges au césium : une précision de 2,5 × 10⁻¹⁹ s s⁻¹ a été atteinte par une horloge utilisant un treillis tridimensionnel d'atomes de strontium[11].

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