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Légende : état A = atomes "non-excités" état B = atomes excités
Principe général d'une horloge à jet de césium
Le fonctionnement de l'horloge atomique à jet de césium, illustré par le schéma ci-dessus, peut être résumé de la façon suivante :
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un oscillateur à quartz génère un signal électrique de fréquence 10 MHz (soit dix millions d'oscillations par seconde) aussi exactement que possible ;
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un dispositif électronique multiplie la fréquence de base du signal issu de l'oscillateur à quartz pour obtenir un signal dont la fréquence vaut 9.192.631.770 Hz ;
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ce signal très haute fréquence (on parle de signal hyper-fréquence ou micro-onde) est injecté dans un guide d'onde dont la géométrie particulière entretient la fréquence, ce qui permet aux atomes de passer d’un état à un autre dans toujours les mêmes conditions (cavité de Ramsey) ;
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un four envoie un jet d'atomes de césium 133, qui, au départ, se trouvent dans plusieurs états d'énergie différents (symbolisés sur la figure par état A = atomes "non-excités" et état B = atomes excités)
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un système dévie les atomes qui sont excités : seuls les atomes non-excités pénètrent dans la cavité de Ramsey (étage de sélection d'entrée) ;
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si la fréquence injectée dans la cavité a très exactement la valeur 9.192.631.770 Hz, un grand nombre d'atomes s’excitent. Ainsi, plus la fréquence d'oscillation du quartz est proche de celle de la transition hyperfine, plus le nombre d'atomes passant du niveau d'énergie A au niveau d'énergie B est important.
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un second système permet de ne garder que les atomes excités (étage de sélection de sortie) : le faisceau d'atomes traverse un filtre magnétique qui sélectionne les atomes d'énergie correcte et les envoie sur un détecteur qui enregistre un courant (d’environ 10 nA)...
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... ce détecteur, placé sur le trajet des atomes excités, "compte" le nombre d'atomes reçus (étage de détection) "
plus la fréquence des
micro-ondes envoyées à l'étape 3 coïncide précisément avec la
fréquence de résonance naturelle (= fréquence où les atomes passent
d'un état d'énergie à un autre), plus le nombre d'atomes excités est
important ;
- en fonction de la réponse du détecteur, un système modifie la fréquence du quartz de telle sorte que le nombre d'atomes excités détectés soit maximal (boucle d'asservissement).
C'est un circuit électronique dit " de rétroaction " qui maintient la fréquence des micro-ondes la plus constante possible : quand le courant enregistré par le détecteur diminue, le circuit modifie la fréquence jusqu'à ce que le courant soit à nouveau maximal.
Conclusion : C'est donc un oscillateur à quartz qui est à la base d'une horloge atomique à jet de césium, les atomes de césium n'étant là que pour contrôler et ajuster la fréquence du signal généré par le quartz : c'est un étalon passif. On dit que les atomes permettent d'asservir la fréquence de l'oscillateur à quartz sur celle de la résonance atomique.
² La fontaine d'atomes au césium est l’horloge la plus exacte qu’il puisse exister. Elle peut présenter une erreur de mesure d'une seconde tous les 3 mille ans !!! Appliquant la physique des atomes froids développée ces dernières années dans les laboratoires de physique fondamentale, elle réalise l'unité de temps, la seconde, cinq fois mieux que les meilleures horloges dans le monde.
Le LPTF de Paris (Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences)
possède un prototype de fontaine depuis 1994. Sa stabilité relative à
court terme est 5 à 10 fois meilleure que dans les horloges
conventionnelles. Cette horloge est actuellement la meilleure au monde
avec une exactitude de 2.10-15. La détermination de ses
propriétés à long terme est aujourd'hui limitée par le maser à
hydrogène qui sert de comparaison. Une seconde horloge permet, depuis
fin 1997, l'exploration de la gamme, encore inexplorée, des 10-16.
Le temps d'interaction, dans une fontaine atomique, restant toujours
limité par la gravité à des durées de 1 s, il fallut développer une
horloge à atomes froids en apesanteur de façon à allonger le temps
d'interaction d'un facteur 10. Ce projet mené avec le CNES porte le nom
de PHARAO pour Projet d'Horloge Atomique
par Refroidissement d'Atomes en Orbite.
Principe de fonctionnement :
² L'ensemble de la partie centrale de la construction est sous un vide très poussé. On injecte dans la partie inférieure gauche, des atomes de césium sous forme d'un gaz raréfié. Ces atomes sont agités d'un mouvement désordonné et rebondissent sur les parois de l'enceinte à des vitesses considérables, allant de quelques mètres/seconde à quelques centaines de m/s. Ceux d'entre eux, qui pénètrent par hasard, dans un des faisceaux des lasers de refroidissement sont capturés, soumis au refroidissement (atteignant des températures de l'ordre de quelque microkelvins) puis sont fortement ralentis et éjectés vers le haut avec une vitesse très précisément contrôlée de 4m/s environ.
² Comme on le sait, les atomes peuvent changer de niveau d'énergie en absorbant ou en émettant un photon de lumière dont la fréquence ressemble à leur fréquence de résonance. En montant, les atomes passent à travers un faisceau laser dont la fréquence correspond à une des fréquences de résonance du césium. Les atomes qui ne sont pas dans le bon niveau d'énergie vont faire la transition. Tous les atomes finiront par être dans le même niveau d'énergie avant d'entrer la cavité micro-ondes.
² Les atomes continuent alors et passent au travers de la cavité micro-ondes, volent librement au-dessus pour environ 0.5 secondes, puis redescendent sous la force de la gravité. A chaque passage à travers la cavité micro-ondes, les atomes interagissent avec les micro-ondes dont la fréquence est de 9 192 631 770 Hz. Après y être passés une deuxième fois en descendant, presque tous les atomes ont fait la transition et sont dans le même état. La dernière étape est celle de la détection : une fois les atomes descendus à travers la cavité micro-ondes, ils sont sondés par des faisceaux laser. Ces lasers causent un changement d'état chez l'atome. La fluorescence émise par les atomes faisant cette transition, est détectée par un photodiode et on obtient un signal. Ce signal est à un maximum quand tous les atomes ont fait la transition dans l'état désiré. L'intensité du signal sert à corriger la fréquence des micro-ondes dans la cavité.
ˆ L’incertitude sur la dérive d’une fontaine est inférieure à 1s en 15 millions d’années !
Voir
l’installation de refroidissement d’atomes de césium
Voici les principales différences entre une fontaine d'atomes au césium et une horloge habituelle :
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Horloge atomique à atomes de césium |
Fontaine d'atomes au césium |
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Atomes chauds, réchauffés dans un four à environ 350 K |
Atomes froids et lents, refroidis par laser à ~2 x 10-6K |
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Lancer horizontal à ~250 m/s (vitesse moyennes des atomes gazeux de césium à 350 K) |
Lancer vertical de 2 à 5m/s (à l'aide de lasers) |
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Les atomes sont dans les deux états fondamentaux et sont séparés à l'aide d'aimants. les atomes qui sont dans l'état désiré entrent dans la cavité micro-ondes, et les autres sont jetés. |
Les atomes sont tous pompés à l'aide d'un laser repompeur dans le niveau d'énergie désiré. Tous les atomes entrent dans la cavité micro-ondes |
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Les atomes subissent une interrogation de type Ramsey en passant à travers de la cavité micro-ondes. Temps d'interrogation: 0.005 s |
Les atomes passent à travers la même cavité micro-onde en montant et en descendant, subissant une interrogation de type Ramsey. Temps d'interrogation : 0.5 s |
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Jet d'atomes continu |
Opération pulsée |