Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST – États-Unis) sont encore parvenus à améliorer les performances des horloges atomiques. © annca, Pixabay, CC0 Creative Commons

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L’horloge atomique la plus précise du monde

ActualitéClassé sous :physique , horloge atomique , fontaine atomique

L'horloge atomique est le moyen le plus précis que nous ayons de mesurer le temps qui passe. Aujourd'hui, des physiciens annoncent avoir encore repoussé les limites de cette précision. Une prouesse qui devrait surtout servir à la science.

Dans la course à la précision, aujourd'hui, ce sont des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST - États-Unis) qui arrivent une fois de plus en tête. « L'incertitude, la stabilité et la reproductibilité peuvent être vues comme le flush royal -- la meilleure des mains au poker -- de la performance des horloges atomiques », explique Andrew Ludlow, le chef de projet. Et c'est bien simultanément dans ces trois domaines que les physiciens du NIST ont établi de nouveaux records.

1.000 atomes d’ytterbium refroidis à une température proche du zéro absolu et piégés dans des grilles optiques à une dimension créent par des faisceaux laser pour une horloge atomique d'une précision inégalée :

  • une incertitude de l'ordre de 10-18 ;
  • une stabilité de l'ordre 10-19 ;
  • une reproductibilité de l'ordre de 10-18.
Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST – États-Unis) ont enregistré de nouveaux records de performances pour une horloge atomique. Les systèmes laser utilisés dans leurs horloges sont visibles à l’avant-plan et l’appareil principal de l’une des horloges en arrière-plan. © Burrus, NIST

Pourquoi une telle précision ?

Une précision difficile à appréhender, mais qui devrait servir, au moins à faire avancer la science. Car une telle horloge pourrait être à même de cartographier la distorsion de l'espace-temps comme jamais auparavant. Les chercheurs se mettent à rêver à une mesure ultra-précise -- à un centimètre près, contre plusieurs centimètres aujourd'hui -- de la forme de la Terre grâce aux effets de la gravitation sur le tic-tac de leur horloge.

Cette horloge atomique pourrait également servir à mettre en œuvre, plus largement, des tests de la théorie de la relativité générale. Selon les physiciens du NIST, le système pourrait aussi être suffisamment précis pour détecter des ondes gravitationnelles, voire même, un petit peu de cette matière noire qui continue d'échapper aux autres instruments.

Pour en savoir plus

En vidéo : l'horloge à atomes neutres la plus précise du monde !

Des physiciens viennent de réaliser l'horloge atomique basée sur des atomes neutres la plus précise du monde. Ils se rapprochent du record mondial détenu par une horloge basée sur des ions. La physique fondamentale pourrait en profiter mais aussi le GPS ou d'autres applications.

Article de Laurent Sacco paru le 21/02/2008

Les chercheurs du JILA viennent de construire une horloge atomique qui ne prend qu'une seconde de retard en plus de 200 millions d'années. Elle est basée sur le piégeage par une série de faisceaux laser de plusieurs milliers d'atomes neutres de strontium. La technique utilisée repose sur la formation d'un réseau optique. On utilise la même méthode lors de certaines expériences avec de la mélasse optique pour refroidir des atomes.

L'institut JILA appartient au National Institute of Standards and Technology (NIST) de Boulder qui possédait déjà une horloge atomique très précise mais qui fait appel à des atomes de césium dans une fontaine atomique. La nouvelle horloge réalisée est deux fois plus précise que celle au césium, qui reste stable pendant plus de 80 millions d'années avec une précision d'une seconde.

Pour mesurer les performances de l'horloge au strontium, on a utilisé une autre horloge atomique ultra-précise du NIST, mais basée sur des atomes neutres de calcium. Bien que moins précise, elle est suffisamment stable sur une échelle de temps courte pour mener à bien l'opération. En fait, le NIST dispose de différents types d'horloge atomique comme celles utilisant des atomes d'aluminium, d'ytterbium, de mercure, de calcium et de strontium.

L'horloge atomique la plus précise du monde est quant à elle basée sur l'usage d'un seul ion de mercure. C'est un physicien de NIST, Jim Bergquist, qui l'a construite et elle dévie de moins d'une seconde en 400 millions d'années.

Comme le montre la vidéo, pour construire leur horloge, les physiciens du JILA ont d'abord piégé et refroidi quelques milliers d'atomes neutres de strontium avec des lasers bleus puis les ont refroidis encore plus avec des lasers rouges pour former ensuite un réseau optique. Les atomes y ont été rassemblés pour former une série de « crêpes » (pancakes en anglais) à l'aide d'un laser en proche infrarouge. Des impulsions lasers sont alors envoyées pour provoquer des transitions périodiques entre deux niveaux d'énergies électroniques dans les atomes de strontium.

L'horloge obtenue devrait pouvoir être rendue aussi précise que celle basée sur un atome de mercure et, à terme, elle devrait être portable et donc d'un usage plus commun.

Disposant ainsi d'un formidable étalon de temps, les scientifiques pourront entreprendre de nouvelles recherches à la frontière des théories de la relativité et de la mécanique quantique. Des violations de l’invariance de Lorentz ou du principe d’équivalence seraient des découvertes majeures nous conduisant au-delà de la physique du modèle standard. On pourra poser de nouvelles bornes aux possibles variations dans le temps des constantes fondamentales comme la constante de structure fine, celle de la gravitation ou encore le rapport de la masse du proton à celle de l'électron. Des questions en rapport avec la décohérence, la non séparabilité et l'information quantique pourront aussi, peut-être, recevoir des réponses en utilisant cet outil.

En attendant ces avancées, plusieurs laboratoires font la course pour obtenir de nouvelles horloges atomiques plus performantes et plus pratiques.

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