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Horloge atomique : tout ce que vous devez savoir à son sujet

horloge atomique

Une horloge atomique est le dispositif le plus précis au monde. Il est notamment conçu pour mesurer le temps en fonction des vibrations des atomes. NIST-F1, l’horloge atomique standard des États-Unis est réputée si précise qu’elle ne gagnerait ni ne perdrait une seconde en plus de 30 millions d’années. 

Les horloges atomiques sont utilisées pour coordonner des systèmes qui requièrent une extrême précision. C’est le cas de la navigation par système de positionnement global (GPS) et Internet. Un groupe d’horloges atomiques situées à différents endroits dans le monde est utilisé conjointement pour établir le temps universel coordonné (UTC).

Une horloge atomique, qu’est-ce que c’est ?

Comme une horloge ordinaire, une horloge atomique garde le temps selon l’oscillation. Cette dernière est une variation ou un mouvement périodique entre deux entités ou entre deux états d’une seule entité, créée par des changements d’énergie. 

Dans une horloge à pendule, par exemple, l’oscillation est le mouvement de va-et-vient du pendule (l’oscillateur). Une telle horloge garde le temps en fonction de la fréquence de l’oscillation du pendule, qui sera plus ou moins précise, selon un certain nombre de variables. La précision d’une horloge atomique, par contre, dépend du fait qu’un atome, mis en oscillation, vibrera toujours à la même fréquence.

Historique

En 1945, Isidor Rabi, professeur de physique à l’université de Columbia, a proposé d’utiliser les vibrations atomiques pour donner l’heure. Il s’est ainsi basé sur un procédé qu’il avait mis au point, la résonance magnétique à faisceau atomique. 

Quatre ans plus tard, le National Bureau of Standards (aujourd’hui le National Institute of Standards and Technology) a développé une horloge atomique utilisant les vibrations des molécules d’ammoniac. NIST-F1, l’étalon actuel des États-Unis, utilise des atomes de césium. Elle et une horloge atomique similaire à Paris sont les horloges les plus précises jamais réalisées.

Les premières horloges atomiques commerciales à base de césium ont été fabriquées par la National Company, une entreprise du Massachusetts. Frequency Electronics, FTS et Hewlett-Packard (HP) comptent parmi les entreprises qui en produisent aujourd’hui. Les horloges atomiques n’ont jamais été largement utilisées dans les produits de consommation, car elles sont généralement volumineuses et consomment trop d’énergie. 

Récemment, cependant, le NIST a mis au point une horloge atomique qui surmonte ces problèmes. De la taille d’un grain de riz et d’une précision d’une seconde en 126 ans, le nouveau mécanisme pourrait bientôt être fabriqué sur des puces d’ordinateur. On l’utilise aussi dans des appareils portables grand public, tels que des radios, des systèmes GPS et des téléphones cellulaires.

Comment fonctionnent les horloges atomiques ?

Les horloges atomiques sont-elles radioactives ?

Les horloges atomiques donnent l’heure mieux que toute autre horloge. Elles donnent même l’heure mieux que la rotation de la Terre et le mouvement des étoiles. Sans ces horloges particulières, la navigation par GPS serait impossible. 

Il serait aussi impossible de synchroniser Internet. De même pour la position des planètes qui ne serait pas connue avec suffisamment de précision pour que les sondes spatiales puissent être lancés et surveillés.

Les horloges atomiques ne sont pas radioactives. Elles ne dépendent pas de la désintégration atomique. Elles possèdent plutôt une masse oscillante et un ressort, tout comme les horloges ordinaires.

Différence entre une horloge standard et une horloge atomique

La grande différence entre une horloge standard et une horloge atomique se trouve au niveau de l’oscillation. Plus précisément, celle d’une horloge atomique se fait entre le noyau d’un atome et les électrons qui l’entourent. 

Cette oscillation n’est pas exactement comparable au balancier et au spiral d’une montre à mécanisme d’horlogerie. Cela dit, le fait est que les deux utilisent des oscillations pour suivre le temps qui passe. Les fréquences d’oscillation au sein de l’atome sont déterminées par la masse du noyau, le « ressort » gravitationnel et électrostatique entre la charge positive du noyau et le nuage d’électrons qui l’entoure.

Quels sont les types d’horloges atomiques ?

Aujourd’hui, bien qu’il existe différents types d’horloges atomiques, le principe qui les régissent reste le même. La principale différence est liée à l’élément utilisé et aux moyens de détection du changement de niveau d’énergie. Les divers genres d’horloges atomiques sont les suivants :

Les horloges atomiques au césium

Les horloges atomiques au césium utilisent un faisceau d’atomes de césium. L’appareil sépare les atomes de césium de différents niveaux d’énergie par un champ magnétique.

Les horloges atomiques à hydrogène

Les horloges à hydrogène maintiennent les atomes d’hydrogène au niveau d’énergie requise dans un récipient. Les parois de ce dernier sont constituées d’un matériau spécial. L’objectif étant que les atomes ne perdent pas trop rapidement leur état d’énergie supérieur.

Les horloges atomiques au rubidium

Les horloges atomiques au rubidium, les plus simples et les plus compactes de toutes, utilisent une cellule en verre de rubidium gazeux. Cette cellule modifie son absorption de la lumière à la fréquence optique du rubidium lorsque la fréquence des micro-ondes environnantes est juste.

Les horloges atomiques les plus précises disponibles aujourd’hui utilisent l’atome de césium, les champs magnétiques et les détecteurs normaux. En outre, les faisceaux laser empêchent les atomes de césium d’aller et venir, ce qui réduit les petites variations de fréquence dues à l’effet Doppler.

Comment fonctionne une horloge atomique pratique au césium ?

Les atomes ont des fréquences d’oscillation caractéristiques. La fréquence la plus connue est sans doute la lueur orange que produit le sodium du sel de table lorsqu’il est saupoudré d’une flamme. Un atome aura de nombreuses fréquences, certaines aux longueurs d’onde radio, d’autres dans le spectre visible, et d’autres encore entre les deux. Le césium 133 est l’élément le plus couramment choisi pour les horloges atomiques.

Pour transformer la résonance atomique du césium en horloge atomique, il est nécessaire de mesurer avec précision l’une de ses fréquences de transition ou de résonance. Cela se fait normalement en verrouillant un oscillateur à cristal sur la principale résonance micro-onde de l’atome de césium. 

Ce signal se situe dans la gamme des micro-ondes du spectre radioélectrique. Il se trouve être à la même fréquence que les signaux de diffusion directe par satellite. Les ingénieurs savent très bien comment construire des équipements dans cette zone du spectre.

Création d’une horloge au césium

Pour créer ce type d’horloge, le césium est d’abord chauffé afin que les atomes se détachent et passent dans un tube maintenu sous un vide poussé. Ils traversent d’abord un champ magnétique qui sélectionne les atomes ayant le bon état énergétique, puis un champ de micro-ondes intense. 

La fréquence de l’énergie micro-ondes balaie en avant et en arrière une gamme étroite de fréquences. À un moment donné dans chaque cycle, elle croise la fréquence d’exactement 9 192 631 770 Hertz. Le Hertz ou Hz indique le nombre de cycles par seconde. 

La gamme du générateur de micro-ondes est déjà proche de cette fréquence exacte, car elle provient d’un oscillateur à cristal précis. Lorsqu’un atome de césium reçoit de l’énergie micro-ondes à la fréquence exacte, il change d’état énergétique.

À l’extrémité du tube, un autre champ magnétique sépare les atomes qui ont changé d’état énergétique si le champ de micro-ondes était exactement à la bonne fréquence. Un détecteur situé à l’extrémité du tube émet un signal de sortie proportionnel au nombre d’atomes de césium qui le frappent. Il présente donc un pic de sortie lorsque la fréquence des micro-ondes est exactement correcte. 

Ce pic est ensuite utilisé pour effectuer la légère correction nécessaire pour amener l’oscillateur à cristal et donc le champ de micro-ondes exactement à la même fréquence. Cette fréquence verrouillée est ensuite divisée par 9 192 631 770. Cela donne la fameuse impulsion par seconde requise par le monde réel.

Comment mesure-t-on le temps atomique ?

Un accord international se charge de déterminer la bonne fréquence de la résonance du césium. On choisit comme valeur exact 9 192 631 770 Hz.

Les horloges atomiques modernes au césium (le type le plus courant) disposent d’une précision à long terme des plus impressionnantes. En effet, elle est meilleure qu’une seconde par million d’années. Les modèles à hydrogène, quant à eux, sont nettement plus précis sur le court (une semaine). Ils sont approximativement 10 fois plus que les horloges à césium. 

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