Depuis le milieu des années 1950, les horloges atomiques définissent le temps atomique international comme une référence mondiale. © Couleur, Pixabay, DP

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Comment fonctionne une horloge atomique ?

Question/RéponseClassé sous :physique , horloge atomique , mesure du temps

Les horloges atomiques ont vu le jour au tout début des années 1950. Elles promettent une mesure du temps avec une précision extraordinaire : une dérive inférieure à 1 seconde toutes les 30 millions d'années. De quoi synchroniser les milliards d'échanges qui ont lieu quasi simultanément sur le Web ou les satellites au cœur du système GPS.

En 1956, le Bureau international des poids et mesures a choisi de définir la seconde comme « la durée de 9.192.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l'état fondamental 6S½ de l'atome de césium 133 ». Une phrase qui peut paraître compliquée mais qui s'explique en fait très simplement.

En effet, lorsqu'un atome de césium 133 reçoit une onde électromagnétique à une certaine fréquence, il passe d'un état de basse énergie à un état de plus haute énergie, de l'état F=3 à l'état F=4. Puis, il réémet l'énergie absorbée en précisément 1/9.192.631.770 seconde. Un peu comme une horloge comtoise comptabilise les oscillations de son pendule, l'horloge atomique est là pour compter le nombre de ces transitions.

Ici, l’horloge atomique à fontaine d’atomes de césium étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis. En 2005, son incertitude était affichée à 5.10-16 s.s-1. © NIST, Wikipédia, DP

Fonctionnement d'une horloge atomique

Une horloge atomique est constituée d'un four à césium qui génère un jet très directif d'atomes de césium. Sur le trajet de ces atomes, un dispositif — déflexion magnétique (aimants) ou pompage optique — permet de sélectionner ceux qui se trouvent dans le niveau d'énergie recherché, l'état F=3.

On y trouve ensuite une cavité résonnante, dite de Ramsey, dans laquelle les atomes interagissent avec une micro-onde générée par un oscillateur à quartz — signal électrique de fréquence 9.192.631.770 Hz. Enfin, un dispositif de détection (aimant, ioniseur et multiplicateur d'électrons ou laser et photo détecteur) renseigne sur les atomes ayant effectivement subi la transition attendue. Le système modifie alors la fréquence du quartz pour arriver à un nombre d'atomes dans l'état F=4 maximal.

Finalement, c'est sur un oscillateur à quartz que repose le fonctionnement d'une horloge atomique à jet de césium. Les atomes de césium quant à eux jouent le simple rôle de contrôleurs et d'ajusteurs de la fréquence du signal généré par le quartz (il existe aussi, par exemple, des horloges à rubidium, moins performantes ou des horloges à hydrogène, extrêmement efficaces sur le court terme).

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