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. LES HORLOGES ATOMIQUES LIEN (ens.fr)
Quand les atomes sont lents, on peut les observer longtemps, ce qui offre la possibilité de mesurer avec grande précision la fréquence correspondant à une transition entre deux niveaux d’énergie atomiques. Les horloges les plus précises à ce jour sont les horloges atomiques, dont le principe utilise une fréquence associée à une transition atomique. On comprend donc que le refroidissement d’atomes soit intéressant pour mettre au point des horloges encore plus performantes. Ainsi, depuis 1998, l’horloge la plus précise au monde est l’horloge à atomes froids du BNM-LPTF (Bureau national de métrologie, Laboratoire primaire du temps et des fréquences), à l’Observatoire de Paris.
9.1. Principe d’une horloge atomique
Les horloges atomiques ont été mises au point dès le milieu des années 1950. Leur précision et leur stabilité sont telles qu’elles constituent aujourd’hui les étalons de temps (ou de fréquence). Depuis la Conférence générale des poids et mesures de 1967, « la seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 ». Les deux niveaux en question correspondent aux deux orientations relatives possibles (parallèle ou anti-parallèle) du moment magnétique de l'électron externe et du moment magnétique du noyau.
Comment fonctionne une horloge atomique ? Prenons l’exemple d’une horloge à césium. Un jet d’atomes de césium est produit par un four ; les atomes passent par un dispositif approprié (champ magnétique, par exemple) qui sélectionne les atomes se trouvant dans le premierniveau hyperfin. Ces atomes traversent ensuite une cavité dans laquelle règne un champ micro-onde de fréquence ajustable, fourni par un oscillateur électronique. Notons (a) le premier niveau hyperfin, et (b) le deuxième. Si la fréquence n du champ est voisine de la fréquence n0 = (Eb – Ea)/h correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins, des atomes absorbent un photon et passent dans le niveau supérieur (b). À la sortie de la cavité, un second tri permet de détecter les atomes ayant subi la transition (l’émission spontanée à partir du niveau (b) est totalement négligeable dans ce domaine de fréquence). Un système d’asservissement ajuste la fréquence n du champ de façon que le nombre d’atomes ainsi recueillis soit maximal : la fréquence n est alors égale à n0. Des moyens électroniques permettent ensuite de diviser la fréquence de l’oscillateur et, au bout ducompte, de fournir un top toutes les secondes — avec une exactitude relative d’environ 10–14, c’est-à-dire qu’au bout de 3 millions d’années, l’erreur accumulée par l’horloge serait inférieure à une seconde...
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