L'horloge atomique vient dans beaucoup de variétés. Certains sont des composants électroniques de la taille d'une puce, développés pour l'armée, mais disponibles dans le commerce à présent, tandis que des horloges atomiques plus grandes et plus précises permettent de suivre l'heure sur les satellites GPS. Mais toutes les horloges atomiques fonctionnent sur le même principe. Les atomes purs - certaines horloges utilisent du césium, d'autres des éléments tels que le rubidium - ont un certain nombre d'électrons de valence, ou d'électrons dans l'enveloppe externe de chaque atome. Lorsque les atomes sont frappés avec une fréquence spécifique de rayonnement électromagnétique (ondes de lumière ou micro-ondes, par exemple), les électrons de valence font la transition entre deux états d'énergie.
Dans les années 1960, les scientifiques se sont détournés de la mesure du temps basée sur les orbites et les rotations des corps célestes et ont commencé à utiliser ces horloges basées sur les principes de la mécanique quantique. Cela peut sembler étrange de mesurer le temps, mais la durée d’un certain nombre d’oscillations, ou «ticks», dans une onde de rayonnement électromagnétique est la méthode officielle utilisée par les scientifiques pour définir la seconde. Spécifiquement, une seconde est la durée de 9 192 631 770 oscillations d'un laser à micro-ondes qui provoquera la transition des atomes de césium.
Mais nous avons des horloges atomiques encore meilleures que celles qui mesurent le césium.
"Si nos deux horloges ytterbium avaient été démarrées au début de l'univers, à ce moment-là, elles seraient en désaccord l'une avec l'autre moins d'une seconde", explique William McGrew, physicien à l'Institut national de la normalisation et de la technologie (NIST). ), dans un email.
L'horloge atomique à réseau ytterbium ultra-stable du NIST. Les atomes d'ytterbium sont générés dans un four (grand cylindre métallique à gauche) et envoyés dans une chambre à vide au centre de la photo pour être manipulés et sondés par des lasers. La lumière laser est acheminée vers l'horloge par cinq fibres (comme la fibre jaune au centre inférieur de la photo). (James Burrus / NIST) Les horloges ytterbium du NIST, Yb-1 et Yb-2, constituent un type unique d’horloge atomique connue sous le nom d’horloge à réseau optique. Les horloges utilisent essentiellement un rayonnement électromagnétique à fréquence optique, ou des lasers, pour piéger des milliers d'atomes d'ytterbium, puis pour faire passer leurs électrons externes entre un état d'énergie au sol et un état d'énergie excité. Par rapport au césium, une fréquence plus élevée de rayonnement électromagnétique est nécessaire pour provoquer la transition de l'ytterbium.
Toutes les ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma, en passant par toute la lumière visible, sont du même type d'ondes composées de photons. La différence est simplement que les ondes de fréquence supérieure oscillent plus rapidement. Les micro-ondes, utilisées pour la transition du césium, sont étirées dans des longueurs d'onde plus longues et des fréquences plus basses que la lumière visible. Utiliser des atomes qui se transforment à des fréquences plus élevées est essentiel pour construire une meilleure horloge. Alors qu'une seconde correspond actuellement à environ 9 milliards d'oscillations d'une micro-onde, la même durée serait représentée par près de 500 trillions d'oscillations d'une onde de lumière visible, améliorant la capacité des scientifiques à mesurer avec précision le temps.
Si le laser de mesure d’une horloge ytterbium est réglé sur la fréquence exacte, les atomes d’ytterbium passeront à l’état d’énergie excité. Cela se produit lorsque le laser est à une fréquence d’exactement 518 295 836 590 863, 6 Hertz, soit le nombre de "ticks" en une seconde.
"Cela correspond à une longueur d'onde de 578 nanomètres, qui apparaît jaune à l'oeil", a déclaré McGrew.
De nouvelles mesures avec Yb-1 et Yb-2, dirigées par l'équipe de McGrew au NIST, ont enregistré de nouveaux records dans trois domaines clés de la précision des mesures, produisant, à certains égards, les meilleures mesures du deuxième jamais réalisé. Plus précisément, les horloges établissent de nouveaux records en matière d’incertitude, de stabilité et de reproductibilité systématiques. Les nouvelles mesures sont détaillées dans un article publié aujourd'hui dans Nature .
Les horloges optiques ytterbium sont encore plus précises à cet égard que les horloges à fontaine au césium utilisées pour déterminer la définition d'une seconde. Les horloges ytterbium ne sont techniquement pas plus précises que les horloges au césium, car la précision est précisément à quel point une mesure est proche de la définition officielle, et rien ne peut être plus précis que les horloges au césium sur lesquelles la définition est basée. Même dans ce cas, la métrique clé ici est l’incertitude systématique - une mesure de la proximité avec laquelle l’horloge réalise la véritable oscillation naturelle, non perturbée, des atomes d’ytterbium (la fréquence exacte qui les fait passer en transition).
Les nouvelles mesures correspondent à la fréquence propre avec une erreur de 1, 4 parties sur 10 18, soit environ un milliardième de milliardième. Les horloges au césium n'ont généré qu'une incertitude systématique d'environ un pour dix sur 16 . Ainsi, comparé aux horloges au césium, les nouvelles mesures de l'ytterbium "seraient 100 fois meilleures", déclare Andrew Ludlow, physicien du NIST et co-auteur de l'article.
Le défi de ces types de mesures est de faire face à des facteurs externes pouvant affecter la fréquence naturelle des atomes d’ytterbium - et comme il s’agit des mesures les plus sensibles jamais réalisées, tous les effets physiques de l’univers jouent un rôle. «Presque tout ce que nous pourrions penser arbitrairement à l'heure actuelle a finalement un effet sur la fréquence d'oscillation de l'atome», dit Ludlow.
Les effets externes qui modifient la fréquence naturelle des horloges incluent le rayonnement du corps noir, la gravité, les champs électriques et de légères collisions d'atomes. «Nous passons beaucoup de temps à essayer de lire attentivement et… comprendre exactement tous les effets pertinents pour modifier le taux de chronométrage de l'horloge - cette fréquence de transition - et pour effectuer des mesures de ceux sur les atomes réels. pour les caractériser et nous aider à comprendre à quel point nous pouvons vraiment contrôler et mesurer ces effets. "
Afin de réduire les effets de ces facteurs physiques naturels, les atomes d'ytterbium, présents naturellement dans certains minéraux, sont d'abord chauffés à un état gazeux. Ensuite, le refroidissement au laser est utilisé pour réduire la température des atomes de quelques centaines de degrés kelvin à quelques millièmes de degré, puis est ensuite refroidi à une température d’environ 10 microkelvin, soit 10 millions de degrés au-dessus du zéro absolu. Les atomes sont ensuite chargés dans une chambre à vide et un environnement de protection thermique. Le laser de mesure traverse les atomes et se réfléchit sur lui-même, créant ainsi un «réseau» qui piège les atomes dans les parties haute énergie d'une onde stationnaire de lumière, plutôt que d'une onde courante, telle qu'un pointeur laser typique.
L’amélioration de la «stabilité» et de la «reproductibilité» des mesures, pour lesquelles les horloges d’Ytterbium établissent également de nouveaux records, permet de mieux prendre en compte les forces extérieures affectant les horloges. La stabilité des horloges est essentiellement une mesure de la variation de la fréquence au fil du temps, mesurée pour Yb-1 et Yb-2 à 3, 2 parties sur 10 19 au cours d'une journée. La reproductibilité est une mesure du degré de correspondance des deux horloges. Il a été déterminé, par 10 comparaisons, que la différence de fréquence entre Yb-1 et Yb-2 était inférieure à un milliardième de milliardième.
«Il est crucial d’avoir deux horloges», déclare McGrew. «L’incertitude est caractérisée par l’examen de chaque décalage susceptible de modifier la fréquence de transition. Cependant, il y a toujours la possibilité «d'inconnus inconnus», des changements qui ne sont pas encore compris. En disposant de deux systèmes, il est possible de vérifier votre caractérisation de l'incertitude en vérifiant si les deux systèmes indépendants sont en accord. "
Les scientifiques utilisent déjà une telle précision dans la mesure du temps, mais les applications pratiques de l'amélioration des mesures de la seconde comprennent les progrès de la navigation et des communications. Même si personne ne pouvait le savoir à l'époque, les premiers travaux sur les horloges atomiques au milieu du XXe siècle permettraient au final de mettre en place le système de positionnement global et toutes les industries et technologies qui en dépendent.
"Je ne pense pas pouvoir prédire complètement quelles applications dans 20 ou 50 ans en bénéficieront le plus, mais je peux dire que, si je regarde l'histoire, certaines des conséquences les plus profondes des horloges atomiques aujourd'hui n'ont pas été anticipées, "Ludlow dit.
Les lasers jaunes de l'une des horloges à réseau optique ytterbium du NIST. (Nate Phillips / NIST) Les horloges ytterbium pourraient également être utilisées dans la recherche en physique avancée, telles que la modélisation du champ gravitationnel et la détection éventuelle de matière noire ou d'ondes gravitationnelles. Les horloges sont si sensibles que toute interférence due à la gravité ou à d'autres forces physiques pourrait être détectée. Si vous positionnez plusieurs horloges ytterbium dans le monde, vous pourrez mesurer les changements minimes de gravité (plus près du niveau de la mer et des pôles), ce qui permet aux scientifiques de mesurer avec plus de précision la forme du champ gravitationnel de la Terre. avant. De même, une interaction avec des particules de matière noire, voire même des ondes gravitationnelles affectant deux horloges éloignées les unes des autres, pourrait être détectée.
«Scientifiquement, nous utilisons déjà cette précision étonnante aujourd'hui pour certaines de ces études de physique fondamentale: rechercher la matière noire, rechercher une variation des constantes fondamentales, rechercher des violations dans certaines théories d'Einstein et d'autres éléments. … Si nous découvrions jamais des violations [des lois de la physique] en utilisant ces incroyables outils de mesure, cela pourrait changer la donne, en ce qui concerne notre compréhension de l'univers, et donc la manière dont la science et la technologie évolueront. ”
Dans les 10 prochaines années environ, il est possible que les institutions scientifiques de mesure du monde décident de redéfinir la seconde en se basant sur une horloge optique plutôt que sur une horloge au césium. Une telle redéfinition est probablement inévitable, car les lasers optiques fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées que les micro-ondes, ce qui augmente le nombre de "ticks" de l'horloge contenus dans une seconde. Une mesure d'horloge ytterbium serait un bon candidat pour une nouvelle définition, mais les horloges à réseau optique utilisant le mercure et le strontium ont également produit des résultats prometteurs, et les horloges optiques à ions, qui suspendent et transforment un seul atome, offrent une autre possibilité intrigante pour une nouvelle définition.
Ces mesures de phénomènes atomiques deviennent de plus en plus précises et, là où notre compréhension évolutive du temps nous mènera, il est impossible de le savoir.
