Les horloges atomiques actuelles.

Ci-dessus l'horloge atomique à fontaine de césium, du Bureau National de métrologie de l'Observatoire de Paris; Elle mesure 1,2 mètres de haut.
 
         Je vous ai décrit hier les principes de fonctionnement d'une horloge atomique au césium, en service entre 1970 et 1980.
           Les horloges ont depuis, évolué de plusieurs façons :
                    - on a miniaturisé les horloges à césium en sacrifiant un facteur 10 à 100 sur la précision, afin de diminuer leur volume et leur poids, ainsi que leur consommation, notamment pour les installer dans les satellites.
                    - pour gagner en précision, on peut utiliser un. autre atome que le césium, qui aurait une fréquence de résonance très supérieure.
            On peut aussi accepter une précision moindre, pour construire des horloges minus-cules, utilisables dans des appareils qui ont besoin d'une précision plus grande que les quartz habituels.
                    - pour gagner en précision, il faut augmenter le temps de passage des atomes dans la cavité de résonance, pour augmenter le nombre d'atomes excités. Ceci a donné lieu à la mise au point de "fontaines atomiques"

           Dans une horloge ancienne, les atomes de césium sortaient d'un four sous forme de vapeur au dessus de 700 d°C, et  le jet avait une vitesse d'environ 250 m/s, ce qui ne permettait aux atomes d'énergie E1 de ne rester que très peu de temps dans la chambre de résonance (moins d'1/10 de ms), et donc le nombre d'atomes dl'énergie E2 créé  était faible.
            Par ailleurs les conditions extérieures pouvaient perturber le processus  global, et l'idée d'amélioration a été d'envoyer un jet d'atomes de césium extrêmement froids (presque au zéro absolu), dans une chambre où l'on faisait le vide et protégée par plusieurs blindages.

           Pour refroidir les atomes de césium, on utilise des lasers, ce qui est étonnas puisque habituellement les lasers sont plutôt utiliser pour chauffer brutalement des objets.
           Les auteurs de la technique suivante ont reçu le prix Nobel en 1997.
           Dans un. gaz, les atomes sont agités en permanence et leur vitesse et leur agitation sont fonction de la température. Ils sont immobiles au zéro absolu (-273,15 d°C)
           Un atome, lorsqu'il absorbe un photon correspondant à une de ses transitions atomiques, subit une impulsion mécanique qui tend à le pousser dans la direction et le sens du photon qu'il vient d'absorber.
            Utilisons un. premier laser horizontal, à une fréquence légèrement inférieure à celle de transition de l'atome de césium. Si celui-ci s'approche de la source laser, il voit la fréquence du faisceau comme étant égale à sa fréquence de transition (à cause de l'effet Doppler que j'ai expliqué dans des articles précédents). Il absorbe un photon et subit une impulsion dans le sens opposé à son mouvement : il est donc freiné dans ce sens.     
            En ajoutant un deuxième faisceau laser dans le sens opposé, un autre couple de laser dans la direction horizontale perpendiculaire (un dans un sens, l'autre dans le sens opposé), et enfin, un dernier couple de laser dans la direction verticale, t l'atome est freiné quels que soient la direction et le sens de sa vitesse.
             Le freinage à chaque choc est minime, mais vu la très grande fréquence des lasers le grand nombre d'impulsions finit par presque arrêter les atomes de césium et on obtient une "mélasse" refroidie à quelques millionèmes de degrés kelvin et la vitesse des atomes est réduite à 2cm/s. 
              A une vitesse aussi faible, les atomes ayant une trajectoire horizontale soumis à la pesanteur "tombent" vers le bas. Il a donc été imaginé de les envoyer vers le haut et qu'ils retombent ensuite comme le jet d'eau d'une fontaine, passant deux fois dans la cavité de résonance. (voir la figure ci dessous)

             
          Avec le laser d'injection,  on lance une ``boule d'atomes'' refroidis (environ 10 millions d'atomes dans un volume d'un cm³), on attend qu'ils retombent, puis, environ une seconde après, on en lance une autre boule et ainsi de suite.
            les atomes passent deux fois dans la cavité d'excitation et, au retour les atomes d'anergie E1 et d'énergie E2 sont séparés et ces derniers détectés. Comme dans l'horloge classique, on recherche la fréquence qui produit le maximum d'atomes E2 pour accorder le générateur d'onde.
          La stabilité de cette horloge a été évaluée à environ 5.10^-16 sur une journée. Lorsque plusieurs horloges du même type (en France, en Suisse, aux USA, au Japon ...) interviennent dans le calcul du Temps Atomique Universel, la stabilité de ce dernier est encore améliorée (de l'ordre de 10^-16).
           Il varie donc d'une seconde en 10¹⁶ secondes soit 10¹⁶ / 31 536 000 = 0,3 milliards d'années.

            Des horloges à fontaine ont été miniaturisées et sont embarquées à bord de satellites avec une stabilité de 10^-14 environ.
            Mais il existe des horloges atomiques qui sont des micro-structure de volume final 9,5 mm³ (soit un cube d’environ 3 mm de côté, comme la gomme d'un critérium) et consommant seulement 75 mW (c’est 50 000 fois plus qu’une montre à quartz, mais 5 000 fois moins qu’un ordinateur de bureau), cela pour une stabilité de l'ordre de 10^-10, soit mille fois mieux qu'une montre à quartz.
            Ces performances sont obtenues en remplaçant l'excitation des atomes de cesium dans une cavité par une excitation par deux lasers dont les longueurs d'ondes sont décallées d'une valeur égale à la fréquence d'excitation du césium (9 GHz).
             On utilise alors des lasers à semi-conducteurs qui sont actuellement produits sous forme de puces (les téléphones portables de la prochaine génération en embarqueront trois pour la reconnaissance faciale et la 3D).
             Le système électronique de mesure est également miniaturisé sous forme de puces.

             Depuis quelques années des "horloges optiques "sont étudiées, dans lesquelles l''citation des atomes n'est plus obtenue grâce à des oscillateurs à quartz, mais grâce à un laser qui, comme l'oscillateur à quartz, est asservi sur une transition entre deux niveaux d'énergie des atomes. Cette transition correspond à une fréquence du spectre visible ou du proche ultraviolet. et donc à des fréquences se l'ordre de 10¹⁵ Hertz.
             La difficulté est de mesurer ensuite avec précision ces fréquences, car aucun photodétecteur n'est capable de répondre à une lumière qui oscille aussi vite.
             On utilise un  laser femto-seconde : un laser qui émet des impulsions ultracourtes (d'une durée de l'ordre de quelques femto-secondes, soit 10^–15 seconde) dont le signal, mélangé avec celui d'un laser continu, est alors réduit dans le domaine des radiofréquences mesurable.
             Divers ions ou atomes dont les transitions correspondent aux fréquences optiques sont utilisés, notamment strontium et ytterbium.
             La stabilité de ces horloges atteint 10^-17., ce qui correspond à une variation d'une seconde sur l'âge de l'univers.
             Une décision devrait être prise en 2026 pour retenir un ou plusieurs atomes et construire une nouvelle référence plus précise de la seconde.