Fatigué de perdre vos montres-bracelets au fil des années? La nouvelle horloge atomique, la plus précise à ce jour, utilise des atomes d’ytterbium et des lasers pour définir avec précision une seconde. Image via l'utilisateur Flickr Earls37a
Si la montre à votre poignet a ralenti de cinq minutes en un an, vous n’y penserez probablement pas. Mais les scientifiques et les ingénieurs utilisent des horloges atomiques ultra-précises pour une gamme d'applications, et la recherche d'horloges toujours plus précises dure depuis des millénaires.
Maintenant, un groupe de chercheurs dirigé par Andrew Ludlow de l'Institut national des normes et de la technologie a placé la barre plus haut que jamais. Leur nouvelle horloge atomique, dévoilée hier, deviendra inexacte d'une durée de 1, 6 seconde après avoir fonctionné pendant 10 18 secondes — ou, en d'autres termes, elle perd une seconde complète en environ 50, 8 milliards d'années. .
Dans le document décrivant leur horloge, les chercheurs ont fourni une paire d'analogies pour ce niveau de précision: "équivaut à spécifier l'âge de l'univers connu avec une précision de moins d'une seconde", écrivent-ils, "ou le diamètre de la Terre à moins que la largeur d'un atome. "
Comme toutes les horloges, les horloges atomiques conservent une heure constante en fixant la durée d'une seconde à un événement physique se produisant avec régularité. Tandis que les horloges mécaniques utilisent le balancement d’un pendule pour maintenir le temps, les horloges atomiques utilisent un mécanisme qui se produit avec encore plus de régularité: la fréquence spécifique de la lumière nécessaire pour faire fluctuer un atome entre deux états d’énergie dans un état excité), qui est toujours une valeur uniforme. Par exemple, la norme internationale actuelle définissant la durée d'une seconde correspond à 9 192 631 770 cycles de la quantité de rayonnement micro-ondes qui fait fluctuer les atomes de césium entre les deux états d'énergie et, ce faisant, émet le plus de lumière possible.
Quelques facteurs peuvent toutefois fausser les mesures les plus minutieuses de cette fréquence. Les chercheurs derrière cette nouvelle horloge ont créé un design innovant (utilisant un élément différent) qui minimise ces distorsions plus qu'aucune horloge auparavant.
Leur conception, appelée «horloge à réseau optique», emprisonne des atomes d'ytterbium dans une boîte à réseau de faisceaux laser. Tenus en place, les atomes sont bombardés par un deuxième type de laser, qui oblige leurs électrons à sauter de niveau d'énergie. Un capteur vérifie que tous les atomes atteignent le niveau d'énergie le plus élevé. La fréquence lumineuse précise nécessaire pour les forcer est ensuite convertie en une seconde.
Normalement, tout léger mouvement physique des atomes lors de leur bombardement peut entraîner de subtils changements dans la fréquence de la lumière nécessaire pour augmenter leur niveau d'énergie (résultat du décalage Doppler), nuisant à la précision de l'horloge. Mais, comme décrit dans la revue MIT Technology Review, où les nouvelles de l'horloge ont été publiées pour la première fois, la boîte de faisceaux laser «maintient les atomes dans une poignée semblable à un étau qui minimise les effets Doppler». En outre, le réseau piège un nombre relativement important Le nombre d'atomes (entre 1 000 et 1 000 000) par rapport à la plupart des horloges atomiques, donc la moyenne de la quantité de rayonnement nécessaire pour élever chacune d'elles au niveau d'énergie supérieur fournit une valeur plus précise de la fréquence précise du rayonnement, qui est ensuite utilisée pour régler le temps.
En comparant deux horloges de ce type, les auteurs ont trouvé quelque chose de remarquable: chaque "tick" mesure les intervalles de temps si parfaitement qu'une horloge ne sera plus en retard par rapport au temps réel que d'un dixième de seconde lorsque notre Soleil enveloppe la Terre de son évolution vers le rouge. géant d’environ 5 milliards d’années.
Cette nouvelle horloge - et le raffinement progressif des horloges atomiques dans leur ensemble - peut sembler être une poursuite purement académique, mais en réalité, il existe une tonne d'applications très utiles de la technologie. Prenez, par exemple, l'application «cartes» sur votre téléphone. Sans la possibilité de synchroniser étroitement les horloges sur de grandes distances, le système GPS ne pourrait pas fonctionner, car il repose sur la comparaison exacte du temps nécessaire pour que les signaux se transmettent de plusieurs satellites à votre appareil compatible GPS.
Les futures activités qui pourraient utiliser cette toute nouvelle technologie de l'horloge atomique pourraient relever de la science de la géodésie, qui vise à mesurer avec précision les changements infimes de la forme de la Terre et de son champ gravitationnel au fil du temps. Toutes les horloges fonctionnent à une vitesse infiniment plus lente au niveau de la mer qu’à un kilomètre, parce que la force de gravité est plus forte au plus près de la Terre. Actuellement, avec les horloges atomiques les plus sophistiquées, cette différence de vitesse ne peut être mesurée que lorsque l’altitude varie de plusieurs mètres, mais avec la nouvelle horloge, elle sera détectable lorsque l’horloge sera levée ou abaissée d’un centimètre, ce qui rendra le système potentiellement utile pour mesurer de légers changements d'épaisseur de la glace de glacier ou d'élévation acquise par les chaînes de montagnes au fil du temps lors de la collision de plaques tectoniques.
