Horloge atomique
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Une horloge atomique est une horloge qui utilise une des caractéristiques physiques des atomes. Ces horloges calculent le temps de référence à partir de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par le passage d'un électron d'une couche à une autre.
Sommaire |
[modifier] Historique
A la fin des années 1930, Rabi et ses élèves discutèrent de la possibilité d'utiliser la méthode de la résonance magnétique sur un jet atomique pour réaliser une horloge atomique, et suggérèrent pour cela l'emploi du césium.
En 1948, Louis Essen a créé la première horloge atomique en utilisant comme référence une raie d'absorption de l'ammoniac située dans le domaine spectral à 24 GHz sur laquelle étaient asservies les oscillations d'un oscillateur à quartz. Cependant, l'effet Doppler très présent avait tendance à décaler la raie d'absorption et, la précision de cette horloge n'étant pas meilleure que celle du simple oscillateur à quartz, l'idée fut dans un premier temps abandonnée.
C'est en 1955 que Essen et Parry, grâce aux travaux de Ramsey sur une méthode permettant l'amélioration de l'interaction onde électromagnétique-atomes en 1950, réalisèrent l'asservissement d'un oscillateur à quartz par la résonance du césium : la première horloge atomique à jet de césium était née.
Zacharias, élève de Rabi, développa des prototypes industriels d'horloges à jet de césium qui furent commercialisés à partir de 1956 et, suite à cela, il proposa une nouvelle méthode utilisant des atomes froids qui ne put voir le jour qu'en 1967 en raison de contraintes techniques.
Dès lors, l'inexactitude des étalons de fréquence étaient réduits à 10 − 12 relatif. C'est à ce moment qu'il fut décidé de définir le temps par rapport à une référence atomique : c'est la naissance du temps atomique international. La seconde devient alors la 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 (césium naturel : isotope stable 133Cs).
[modifier] Principe de fonctionnement
Le principe général des horloges atomiques est d'asservir les vibrations d'un oscillateur à quartz sur une transition atomique entre deux niveaux de structure hyperfine.
[modifier] Introduction aux processus de transitions entre niveaux atomiques
- Processus énergétiques
Un atome passant d'un état d'énergie excité E2 à une autre état d'énergie E1 plus faible (avec E2 > E1 et ΔE = E2 − E1) émet un photon de fréquence ν telle que 
. C'est le processus d'émission spontanée. À l'inverse, un atome dans un état d'énergie E1 passera à un état excité d'énergie E2 par l'absorption d'un photon de fréquence ν et d'énergie ΔE = E2 − E1 = hν, h étant la constante de Planck telle que h = 6.62.10 − 34J.s. On connaît aussi le principe d'émission stimulée consistant pour un atome à passer d'un état d'énergie excité vers un état fondamental après la rencontre d'un autre photon. L'énergie de l'atome sera alors dissipée par l'émission d'un autre photon qui possèdera les mêmes caractéristiques que le photon initiateur. Il existe également une probabilité non nulle pour qu'un atome se trouvant dans un état excité d'énergie E2 redescende dans un état d'énergie plus stable et plus faible par un processus de désexcitation non radiative, c'est à dire sans émettre de photon. Le système devant alors satisfaire à la relation de conservation de l'énergie, il en résultera soit un échauffement de l'atome soit un transfert de quantité de mouvement.
Ces processus atomiques élémentaires, dont la théorie a été développée en partie par Einstein, vont être à la base de toute l'interaction permettant de fournir l'étalon atomique de mesure du temps.
- Notion de structure fine et hyperfine
L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un spectre d'émission ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition de plusieurs composantes au sein d'une même raie.
Une raie principale est donnée par le nombre quantique principal n caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va donner pour un même nombre quantique n une série de sous-niveaux correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les diverses interactions physique au sein de l'atome (interaction spin-orbite, effets de volume, effets de masse...). Ces sous-niveaux sont en fait la cause de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On parle alors de structure fine voire hyperfine pour certains atomes dans des conditions particulières de champ magnétique.
[modifier] Exemple de l'horloge atomique à jet de Césium 133
Un système physique permet de créer un jet d'atomes, dans lequel seuls les atomes correspondant à l'état désiré (ici, 1) sont gardés (sélection par champs magnétique).
D'un autre côté, un oscillateur à quartz émet une onde de fréquence voisine de ν qui permet comme nous l'avons vu le passage de l'état (1) à l'état (2).
Le jet d'atomes dans l'état (1) passe dans l'oscillateur à quartz et un certain nombre ressortent dans l'état (2). La sortie du jet atomique est analysée (on vérifie le nombre d'atomes dans l'état (2) par un système analogue à celui qui a sélectionné les atomes dans l'état (1)).
Plus la fréquence de l'oscillateur à quartz est proche de ν, plus le nombre d'atomes sortant dans l'état (2) est grand, et donc, plus le nombre d'atomes (2) compté en sortie est grand.
Un système d'asservissement ajuste en permanence la fréquence de l'oscillateur à quartz pour avoir le maximum d'atomes dans l'état (2) en sortie.
Le comptage du temps est donc fourni par les oscillations du quartz (comme dans une montre à quartz), mais sa fréquence est ajustée à la fréquence étalon ν qui est celle du passage de l'atome de l'état (1) à l'état (2), ou encore le passage de l'électron du niveau d'énergie E1 à celui d'énergie E2.
Dans le cas du césium, la fréquence ν est de 9 192 631 770 Hz. Cette fréquence est, d'ailleurs, la base de la définition légale de la seconde.
[modifier] Applications
Le Temps atomique international est la référence mondiale fondée sur la définition de la seconde atomique, calculée au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en faisant la moyenne de 250 horloges atomiques à travers le monde. En France, le temps légal repose sur cinq horloges atomiques.
Outre servir à définir une référence chronologique universelle, les horloges atomiques sont également employées dans les technologies de positionnement géographique. Les satellites de la constellation NavStar (utilisés dans la technologie GPS) ou ceux du programme Galileo, embarquent une horloge atomique.
Le 28 décembre 2005, une horloge atomique a été placée sur l'orbite prévue, à 23 000 km d'altitude, par l'ESA et le GJU, à bord du premier de deux satellites expérimentaux nommé GIOVE-A (GSTB-2A), destiné au système européen de navigation par satellites Galileo , depuis une fusée russe Soyouz lancée du cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan.
