Les horloges atomiques

 

Une horloge atomique est en quelque sorte un étalon de fréquence qui accumule au cours du temps les secondes qu'il génère afin de construire une échelle de temps semblable à celle de nos montres.

Basées sur des principes de physique atomique, ces horloges sont :

  des horloges atomiques à césium [ les étalons primaires de fréquence à jet de césium sont des instruments qui permettent une réalisation de la seconde telle qu'elle est définie dans le système international d'unités (SI). Il existe actuellement une dizaine d'étalons de ce type ]

  des masers (effet laser en ondes radio) à hydrogène [ il existe des masers à hydrogène passifs ou actifs. Leur stabilité à court terme (durées inférieures à un jour) est meilleure que les étalons à césium, mais ils présentent une stabilité à long terme (et une exactitude) moins bonne ]

  des horloges à cellule de rubidium, à ions mercure.

Il existe de nombreux organismes dans le monde qui possèdent des horloges atomiques ou des étalons primaires de fréquence. Bien sûr chacun de ces organismes souhaite comparer ses propres instruments à ceux des autres  à des fins d'évaluation et d'amélioration de leurs qualités métrologiques ou simplement pour participer au calcul du temps atomique international, TAI . La méthode la plus classique pour comparer des horloges distantes consiste à employer les satellites du Global Positioning System, GPS.

 

Sur quel principe fonctionne une horloge atomique et comment est-elle construite ?

 

² Toutes les horloges modernes fonctionnent à partir d'un phénomène périodique, c'est-à-dire qui se répète de manière identique à intervalles réguliers. Les performances remarquables des horloges atomiques sont dues à l’utilisation des atomes comme élément oscillant. Ces oscillations sont extrêmement rapides mais aussi très régulières. Tous les atomes d'une même espèce sont caractérisés par des périodes d'oscillation rigoureusement identiques et stables.

ð A titre de comparaison, deux horloges atomiques s'écartent l'une de l'autre d'un milliardième de seconde en un jour, soit un écart 100'000'000 de fois plus petit qu'entre deux montres bracelets à quartz.

² Ainsi, le principe d'une horloge atomique est basé sur un aspect fondamental de la physique quantique : un atome peut exister sous différents niveaux d'énergie qui sont quantifiés, c'est à dire que l'énergie d'un atome ne peut prendre que des valeurs bien précises, caractéristiques de la nature de cet atome (hydrogène, césium, etc…).

Voir le postulat de Bohr 

Pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre plus élevé (on parle de transition atomique), il doit recevoir un photon (un " grain élémentaire " de lumière) ou une onde électromagnétique. Lorsque ce photon est reçu, l’atome passe dans un état excité et les électrons qui gravitent autour de lui se dirigent vers une couche électronique plus éloignée. Par la suite, ces électrons regagnent leur orbite d'origine, tout en émettant un photon (désexcitation). L'énergie transportée par les électrons est directement proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique associée (à la couleur de la lumière).

ð Par exemple, quand on envoie un photon de lumière violette, il transporte deux fois plus d'énergie qu'un photon de lumière rouge, qui en transporte plus qu'un photon infrarouge, qui en transporte plus qu'un photon d'onde radio.

 

 

Les différences d'énergie entre les états d'un atome ont des valeurs parfaitement définies, il en est de même de la fréquence de l'onde électromagnétique pouvant changer leur état, ou pouvant être générée par leur changement d'état (comme on l’a vu ci-dessus : lorsqu’un atome reçoit un photon, il en émet un autre).

Une horloge atomique analysera donc l’onde électromagnétique ayant provoqué le changement d'état d'atomes (étalons passifs) ou ayant été générée par ce changement d'état (étalons actifs).

L’horloge atomique au césium que l’on va étudier est un étalon passif : en effet, on comptabilise les oscillations du signal micro-onde que l’on envoie et non celles du signal que l’atome émet. En effet, on compte le nombre d’atomes qui ont changé d’état : s’il est très important, cela signifie que les oscillations du signal micro-onde qui a engendré le changement d’état sont régulières. En les comptant, on obtient un étalon très précis.

² Pour être comptées, les oscillations des horloges doivent être entretenues en permanence. Le résultat est ensuite affiché sous une forme utilisable, par exemple en heures, minutes et secondes. La durée des oscillations doit être invariable pour assurer précision et stabilité. En pratique, il peut y avoir des variations avec les conditions de l'environnement. Par exemple, la température et l'humidité, le temps (vieillissement), sont nuisibles à la régularité de marche de l'horloge.

A quoi sert une horloge atomique ?

» Les applications des horloges atomiques sont nombreuses :

Horloges au césium :
  - horloges de référence (métrologie) et établissement du Temps Atomique International (TAI)
  - navigation et positionnement (système GPS)
  - recherche fondamentale (géophysique, géodésie, astronomie, cosmologie, astrophysique)
Horloges au rubidium (horloges atomiques miniature) :
  - synchronisation des réseaux nationaux et internationaux de télécommunication
  - navigation et positionnement
  - instrumentation de mesure
Horloges à hydrogène (masers à hydrogène)
  - recherche fondamentale (géophysique, géodésie, astronomie, cosmologie, astrophysique)
  - TAI
  - Interférométrie à longue base (VLBI)
  - Orbitographie de précision
  - Métrologie

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