Horloge atomique

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Horloge atomique
Horloge atomique commerciale à césium ayant servi à réaliser le temps légal français dans les années 1980 et comme référence pour l'horloge parlante
Horloge atomique à césium, vue interne

Une horloge atomique est une horloge qui utilise la pérennité et l'immuabilité de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre pour assurer l'exactitude et la stabilité du signal oscillant qu'elle produit. Un de ses principaux usages est le maintien du Temps atomique international (TAI) et la distribution du Temps universel coordonné (UTC) qui sont les échelles de temps de référence.

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Introduction aux processus de transitions entre niveaux atomiques[modifier | modifier le code]

Processus énergétiques atomiques[modifier | modifier le code]

Un atome passant d'un état d'énergie excité E2 à un autre état d'énergie plus faible E1 émet un photon de fréquence telle que \nu=\frac{\mathrm E_{2}-\mathrm E_{1}}{h}=\frac{\Delta \mathrm E}{h}. C'est le processus d'émission spontanée.

À l'inverse, un atome dans un état d'énergie E1 passera à un état excité d'énergie E2 par l'absorption d'un photon de fréquence ν et d'énergie \Delta \mathrm E=\mathrm E_{2}-\mathrm E_{1}=h\nu, h étant la constante de Planck, valant 6,62×10-34 J⋅s, soit encore 4,14×10-15 eV⋅s.

On connaît aussi le principe d'émission stimulée consistant pour un atome à passer d'un état d'énergie excité vers un état fondamental 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 d'énergie E2 redescende dans un état d'énergie 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.

Notion de structure fine et hyperfine[modifier | modifier le code]

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 pour un même nombre quantique n une série de sous-niveaux 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.

Exemple de l'horloge atomique à jet de césium 133[modifier | modifier le code]

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium NIST-F1. 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 de départ 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 résonnante dite de Ramsey.

Le jet d'atomes dans l'état E1 passe dans la cavité : plus la fréquence ν' sera proche de ν plus grand sera le nombre d'atomes qui, par absorption de l'onde, subiront la transition à 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 9 192 631 770 Hz. Cette valeur est exacte car elle définit la seconde, et donc le hertz (fréquence par « une » seconde…).

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.

Performances[modifier | modifier le code]

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[1]. Ceci signifie que l'horloge dérive de 2×10-16 seconde en une seconde, ce qui est souvent vulgarisé en donnant le nombre d'année nécessaire pour qu'une horloge dérive d'une seconde complète, dans ce cas une seconde en 160 millions d'années.

Applications[modifier | modifier le code]

Le temps atomique international est la référence mondiale fondée sur la définition de la seconde atomique, calculée au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en faisant la moyenne de plus de 400 horloges atomiques (en 2013) réparties dans plus de 70 laboratoires dans le monde[2]. Ces horloges de référence sont majoritairement des horloges atomiques au césium, mais des masers à hydrogène et quelques horloges atomiques au rubidium sont aussi utilisés[3]. En France, le temps légal est généré par le Laboratoire national de métrologie et d'essais - Système de Références Temps-Espace (LNE-SYRTE) situé à l'Observatoire de Paris. Il repose sur les lectures d'une centaine d'instruments dont en particulier 6 horloges au césium et 4 masers actifs à hydrogène[4] [5].

Outre servir à définir une référence chronologique universelle, les horloges atomiques sont également employées dans les technologies de positionnement géographique. Les satellites de la constellation GPS, du système GLONASS ou ceux du programme Galileo, embarquent chacun plusieurs horloges atomiques, jusqu'à quatre pour les satellites GPS.

Le , une horloge atomique a été placée sur l'orbite prévue, à 23 000 km d'altitude, par l'ESA et le GJU, à bord du premier de deux satellites expérimentaux nommé GIOVE-A (GSTB-2A), destiné au système européen de navigation par satellites Galileo, depuis une fusée russe Soyouz lancée du cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan.

Les horloges atomiques sont aussi utilisées dans les réseaux de télécommunications pour fournir un signal de référence aux oscillateurs internes des équipements, afin d'assurer une qualité de transmission des services en accord avec les normes internationales. On utilise soit les signaux directement produits par des horloges atomiques soit les signaux élaborés à partir des émissions des satellites de la constellation GPS qui ont la stabilité des horloges atomiques embarquées.

Histoire et développement[modifier | modifier le code]

Les débuts[modifier | modifier le code]

1949 : Le premier prototype est développé par le National Institute of Standards and Technology aux États-Unis[6], 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 coutant 20 000 dollars.

1967 : La seconde, unité du système international, est définie lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures selon les vibrations de l'atome de Césium[7].

Horloge atomique aux fréquences optiques[modifier | modifier le code]

Les recherches récentes pour améliorer la précision des horloges atomiques se sont portées sur d'autres atomes (calcium, ytterbium, strontium, mercure, aluminium) 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). En 2013, des laboratoires ont construit des horloges manipulant les atomes avec des lasers dépassant la précision des meilleures horloges au Césium : une précision de 1×10-16 s⋅s-1 a été atteinte par une horloge au strontium et une précision de 1,6×10-18 s⋅s-1 par une horloge à l'ytterbium[1].

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b [1] Les horloges atomiques montent en fréquence, La Recherche n°483, décembre 2013
  2. (en) [2] Establishment of TAI and UTC, Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), consulté le 8 juillet 2015
  3. (en) [3] Equipment and source of UTC of the laboratories contributing to TAI in 2013, Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), consulté le 8 juillet 2015
  4. [4] site internet du LNE-SYRTE, consulté le 8 juillet 2015
  5. [5] Références Nationales de Temps, site internet du SYRTE, consulté le 8 juillet 2015
  6. « Time and Frequency Division », sur National Institute of Standards and Technology (consulté le 29 janvier 2015)
  7. « A Brief History of Atomic Clocks at NIST », sur National Institute of Standards and Technology (consulté le 12 juillet 2015)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]