Les horloges Atomiques

Même si les horloges atomiques ne sont pas vraiment en rapport avec notre problématique, car c'est une horloge non mobile et non pas une montre, nous avons décidé de l'inclure dans notre TPE. En effet nous pensons que son rôle est primordial dans l'histoire de la mesure du temps, et son fonctionnement très intéressant.

I. A quoi servent les horloges Atomiques ?

Les horloges atomiques servent à fixer et à étalonner le temps international appelé « Temps Atomique International » (TAI). Elles trouvent aussi de nombreuses applications dans des mesures de grande précision, comme la mesure des constantes fondamentales, ou dans la technologie de pointe. Mises au point vers 1950 par L. Essen et J. Parry en utilisant l’atome de césium Cs133, elles reposent sur les lois de la mécanique quantique appliquée aux transitions entre les niveaux d'énergie d'atomes convenablement choisis. On les utilise pour définir la seconde depuis 1967 car l'horloge atomique est extrêmement précise (10^-15 aujourd’hui, ce qui signifie qu’elle dérive d’une seconde tous les 30 millions d’années). La durée de cette seconde à été décidée lors de la 13ème conférence des poids et mesures. Elle à une 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 horloges atomiques comptent les oscillations naturelles de l'atome de césium qui vibre 9 192 631 770 fois par seconde. L'horloge avance d'une seconde lorsqu'un système électronique a compté ce nombre de vibrations.

Image ci-dessus : Photographie d'une horloge atomique.

L’horloge atomique la plus stable et la plus précise est actuellement celle au Césium 133 puisque la définition de la seconde en découle. Il en existe d’autres types comme celles à rubidium, moins précises, les horloges à hydrogène passif et les masers à hydrogène actif dont la précision à court terme (inférieure à un jour) est meilleure mais dont l’exactitude à long terme est moins bonne.

II. Principe de fonctionnement (horloge à jet de césium 133 et fontaine à césium):

Les principaux constituants d’une horloge atomique sont cet oscillateur à quartz, la source de césium unidirectionnelle pour produire un jet, la cavité de Ramsey et le système d’asservissement.

Pour l’horloge à jet de césium 133 :

1. Le quartz génère un signal de fréquence 10 MHz.

2. Un dispositif électronique permet de multiplier cette fréquence afin d’obtenir une fréquence proche de 9 192 631 770 Hz.

3. Ce signal est injecté dans un guide d’onde qui entretient la fréquence car elle correspond à la fréquence de résonance de la cavité grâce à sa géométrie (cavité de Ramsey).

4. Un four envoie un jet d’atomes de césium dans plusieurs états d’énergie (A et B sur le schéma).

5. Un système basé sur la déflexion magnétique dévie les atomes qui ne sont pas dans l’état A, seuls les atomes A pénètrent dans la cavité de Ramsey.

6. Plus la fréquence envoyée se rapproche de 9 192 631 770 Hz, plus le nombre d’atomes passés à l’état B sera grand (phase d’interrogation).

7. Un second système sépare les atomes A et B (étage de sélection de sortie).

8. Un détecteur sur le trajet des atomes B compte le nombre d’atomes qui ont changé (étage de détection).

En fonction de la réponse du détecteur un système modifie la fréquence du quartz en temps réel afin que le nombre d’atomes passés à l’état B soit maximal (boucle d’asservissement).

Pour la fontaine à césium :

Les performances des horloges atomiques, par exemple celles au césium 133 dépendent essentiellement du temps d'interaction des atomes avec les micro-ondes qui modifient l'état d'énergie interne de ces atomes. En d'autres termes, la qualité d'une information est d'autant meilleure que l'observation est longue. Afin de pallier certains dysfonctionnements et ainsi améliorer les performances de l'horloge, de nouvelles solutions consistant à refroidir et à ralentir les atomes de césium ont été testées avec notamment l'utilisation de faisceaux laser.

Comme le schéma nou

s l’indique, l’oscillateur est couplé à un système d’atomes dont la fréquence de transition est bien connue : c’est la transition hyperfine du césium qui fixe la seconde par convention. En corrigeant très régulièrement ce système atomique on peut corriger les variations de l’oscillateur. L’oscillateur est donc calé sur une oscillation très précise d’une transition atomique.

L’horloge à jet de césium utilise un système appelé fontaine d’atome, qui est représenté sur le schéma ci contre. Les atomes sont, dans un premier temps confinés par un piégeage, puis un léger décalage doppler leur donne une impulsion verticale. Les atomes partent vers le haut, puis retombent sous leur propre poids, d’où l’appellation fontaine. Lors de l’envol, les atomes sont sélectionnés afin de ne retenir que les atomes dans les bonnes conditions, puis ils sont « interrogés » lors de la redescente, afin de déterminer le taux de transition, et ainsi obtenir la fréquence de transition de manière toujours plus fine avec des mesures successives.

Le principe reste le même que pour une montre à quartz car c’est aussi un oscillateur à quartz qui donne la fréquence de base. Mais au lieu de comptabiliser directement les oscillations du quartz on comptabilise les périodes des ondes électromagnétiques ayant provoqué le changement d’état d’atomes (étalons passifs) ou ayant été générés par ce changement d’état (étalons actifs).

Cependant, sa précision est perturbée par plusieurs effets notoires à prendre en compte, l'horloge atomique n'est pour autant pas infaillible. En effet, en plus de son volume (souvent très important), sa dangerosité (radiations nucléaires) et son prix, elle n'assure pas une précision absolue dans les mesures. Si elle dérive extrêmement peu, son fonctionnement peut aussi être altéré à courte échelle. La chaleur est l'une des sources majeures de dysfonctionnement : en effet qui dit chaleur dit énergie, et c'est justement ce trop plein d'énergie, préjudiciable à la bonne marche des horloges atomiques, qui influe sur l'émission d'énergie de l'atome de Césium et sa longueur d'onde. Le rayonnement de l'atome est donc modifié, certes très légèrement, mais à long terme cela peut prendre de plus grandes proportions. Autre problème que les horloges atomiques ne règlent pas : celui des saisons et celui de la vitesse de rotation de la Terre (non constante), qui influencent directement la durée d'une journée. Pour cela il est donc nécessaire de recaler les horloges environ tous les 2 mois pour qu'il n'y ait pas d'incohérence entre le temps solaire et le temps atomique. Pour les recaler, il suffit de retirer à intervalle réguliers une ou deux secondes. Ces secondes enlevées sont dites secondes intercalaires.

III. L’utilité de l’horloge atomique :

Outre le fait de connaître l’heure d’une façon exacte, l’horloge atomique permet notamment grâce à son exactitude de faire des mesures précises nécessaires dans les domaines de la radioastronomie, la physique, la spectroscopie, la quantification des longueurs et de la tension, la fabrication de composants électroniques. Par exemple pour les longueurs le mètre-étalon n’est plus à la longueur du dix-millionième partie du quart du méridien terrestre mais la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde. Elle sert aussi à obtenir des constantes physiques fondamentales plus précises.

Elle a aussi permis des améliorations dans la communication par exemple pour le GPS qui utilise ces horloges pour sa synchronisation temporelle et fréquentielle : Un récepteur GPS reçoit en temps réel l’heure et la position de plusieurs satellites. En confrontant les informations sur le temps du parcours des informations voyageant à 300 000 km/h il obtient ses coordonnées géographiques en 3D à quelques mètres près.

De nombreux projets concernant l’horloge atomique sont en cours, comme le projet PHARAO, l'envoie d’une horloge atomique sur la prochaine station spatiale internationale, qui permettrait de l’affranchir de plusieurs problèmes liés à la localisation sur terre, ainsi que rendre enfin accessible à tout le monde par le biais d’une simple connexion par micro ondes. Le prototype de PHARAO est une horloge atomique spatiale qui utilisera des atomes de césium froids, et qui permettra de porter la précision de la seconde à 16 décimales (10^-16).

Les physiciens atomiques sont continuellement à la recherche de systèmes sensibles à des variations de plus en plus fines de la fréquence du rayonnement électromagnétique qui les illumine. Les derniers développements en ce domaine laissent augurer dans un futur proche des horloges atomiques précises à 10^-18.

IV. Avantages et inconvénients

Avantages :

→ Extrêmement précise (10-15), dérive d'une seconde tous les 30 millions d'années.

→ Donne l'heure à toutes les horloges de la terre.

→ On cherche encore à la rendre plus performante.

→ Permet :

-de préciser les constantes fondamentales

- des connaissances plus fines des multiples propriétés des atomes et des molécules.

- Précision des modèles de structure de l'espace temps

Inconvénients :

→ Prix (très chère à réaliser)

- présente sur les satellites.

- Volume, taille

→ dangereuse (radiations nucléaires)

→ Très précise, mais pas de précision absolue.

→ Chaleur : disfonctionnement

→ durée d'une journée influencée par les saisons et la vitesse de rotation de la terre ( il faut recaler les horloges tous les deux mois environ)

V. Conclusion

Les horloges atomiques ne vont pas disparaître et ne sont pas menacées par les smartphones et les montres connectées. C’est justement elles qui leurs donnent l’heure ainsi qu'à toute la planète. De plus, on cherche à les rendre de plus en plus précises, pour notamment calculer des constantes fondamentales. Plusieurs projets sont en cours afin d’améliorer la précision de ces horloges, comme celui de les envoyer sur un satellite. Même si elles comportent de nombreux inconvénients, si les horloges atomiques continuent à donner le temps avec une très grande précision en perpétuelle amélioration, (on peut s’attendre à voir la définition de la seconde évoluer dans les prochaines années) leur avenir n’est pas menacé.

A.M.