L'horloge à fontaine de césium

Une étape importante dans la mise au point d'un étalon de fréquence primaire pour la première fontaine de césium du CNRC a été atteinte en avril 2009, lorsque l'horloge atomique (CNRC - FCs1) a commencé à produire un signal de temps. Conçue dans les laboratoires Temps et fréquence de l'Institut des étalons nationaux de mesure, cette nouvelle horloge à fontaine de Césium contribuer au temps atomique international (TAI), et servira à améliorer la mesure des fréquences des propriétés atomiques utiles à la recherche fondamentale en physique, métrologie et astrophysique.

Ce type d'horloge est dite « à fontaine », en référence à la trajectoire des atomes de césium, qui sont lancés verticalement avant de retomber. Si d'autres horloges des laboratoires de l'Institut des étalons nationaux de mesure du CNRC, telles que les masers à hydrogène et les horloges à jet, permettent d'obtenir des résultats satisfaisants pour les courts intervalles de temps, elles n'offrent cependant pas la précision à long terme de l'horloge fontaine. Les meilleurs étalons de temps dont dispose le CNRC, constitués d'un ensemble d'horloges à jet de césium, ne gagneront ou ne perdront pas plus d'un millionième de seconde en trois ans, ce qui est constitue déjà un critère de stabilité remarquable. L'horloge fontaine du CNRC devrait cependant offrir des résultats dix fois supérieurs : on s'attend en effet à ce qu'elle ne perde ou ne gagne pas plus d'un millionième de seconde en 30 ans.

Pour qu'une telle précision puisse être atteinte, les atomes de césium doivent fournir une mesure de temps très précise au mécanisme de la CNRC - FCs1. En lançant ces atomes verticalement à environ un mètre de hauteur, on dispose de plus de temps pour mesurer précisément leurs oscillations magnétiques. Du fait de l'extrême rapidité de ces oscillations (9 192 631 770 fois par seconde), il est nécessaire d'avoir recours à un puissant générateur de micro-ondes pour obtenir les mesures les plus précises possible. Les atomes de césium doivent également être refroidis à une température inférieure à 3 mK (équivalent à trois millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu). Le refroidissement est effectué à l'aide de lasers, de même que le lancement et la détection d'atomes une fois qu'ils sont passés par la cavité micro-ondes. Ces oscillations d'atomes, observées au cours de la dernière prise de mesure, ont permis de produire le spectre de Ramsey (voir graphique).

Il s'agit de la dernière mise au point parmi toute une série d'avancées techniques comprenant l'élaboration d'une cavité de Ramsey qui sonde les atomes de césium, la mise au point d'une chambre à vide protégée par un champ magnétique, un procédé pour piéger et détecter les atomes refroidis, ainsi qu'un moyen de lancer de façon précise les nuages d'atomes à plus d'un mètre de hauteur.

L'horloge doit être maintenant soumise à un processus d'évaluation avant de pouvoir devenir un étalon primaire. Il s'agit de déterminer les caractéristiques de fonctionnement internes de l'horloge, telles que le nombre d'atomes, la puissance de la radiation micro-onde, l'influence de la cavité de Ramsey et la stabilité des champs magnétiques. Il est en outre nécessaire de mesurer les répercussions de certains facteurs externes, tels que la réactivité aux changements de température, la variation de l'intensité du laser et l'alignement vertical du lancement. Les effets de ces facteurs doivent tous être compris, contrôlés de façon précise, et compensés, de manière à obtenir la précision nécessaire pour contribuer à l'échelle de temps internationale.

Le groupe Temps et fréquence travaille également sur un nouveau piège à ions qui permettra de mesurer plus précisément l'ion de strontium. Toute la précision de la CNRC - FCs1 sera requise pour effectuer ces nouvelles mesures, qui permettront de lier les fréquences optiques aux fréquence micro-ondes grâce au peigne de fréquences. L'ion de strontium pourra potentiellement servir à la future mise au point d'horloges atomiques à fréquence optique, qui multiplieront la stabilité du temps de génération par dix.

Le degré supérieur de précision de l'horloge à fontaine permettra en outre d'avoir une plus grande stabilité et de mieux utiliser le système de transfert du temps GPS, tout en offrant au CNRC la possibilité de tisser des liens avec la communauté internationale en matière de la métrologie du temps. Notre contribution viendra seconder les efforts menés à l'échelle mondiale pour conserver la meilleure réalisation de la seconde SI, et continuer la recherche de mesures précises en sciences fondamentales, telle que l'étude de la possible corrélation entre le changement de taille de l'univers et la variation de la fréquence d'oscillation des atomes.

• L'horloge atomique à fontaine de césium

Information pertinente

Instituts:

• Institut des étalons nationaux de mesure du CNRC