Le tic-tac des horloges atomiques

La mesure du temps, une ambition humaine qui demande beaucoup de précision. TheDigitalArtist / Pixabay

Qui est encore à la recherche du temps perdu ? À l’Observatoire de Paris, de nombreux chercheurs se sont lancés dans la quête de la mesure temporelle la plus précise. Pour ce faire, ils utilisent un instrument qui n’a d’horloge que le nom : l’horloge atomique.

La mesure du temps, c’est d’abord la mesure d’une régularité. La plus évidente pour l’Homme, est celle de la course du Soleil, comptant les jours, les mois et les années. Mais lorsqu’une mesure précise d’un temps aussi court que la seconde est nécessaire, le mouvement des astres est une horloge bien trop capricieuse. La physique moderne a donc cherché dans son stock de phénomènes périodiques le plus adéquat. Celui-ci se trouve dans ce qui constitue la matière, les atomes. Et il existe un lieu à Paris où ce phénomène est mis à profit : l’Observatoire de Paris.

Toutes les horloges mènent à l’Observatoire de Paris

Rodolphe Le Targat travaille à l’Observatoire de Paris dans l’équipe « Métrologie des fréquences optiques » du SYRTE (Systèmes de Référence Temps-Espace). Lui et son équipe sont chargés de perfectionner une des six horloges atomiques du lieu. Dans les locaux de cette horloge, la minutie de la mesure repose en fait sur un enchevêtrement de fils électriques et de matériel optique agglutiné sur des tables. Tous ces instruments sont nécessaires pour façonner près de 30 lasers, qui occupent chacun une fonction précise.

Parmi eux, le principal est certainement celui qui va faire office de pendule : le laser ultra-stable. Sa fonction est de rencontrer un jet d’atomes, ici des atomes de strontium, contenu dans une cuve – véritable coeur de l’horloge. Cette rencontre permet au laser ultra-stable de calibrer son rayonnement à la fréquence souhaitée. Pour cela, il va exciter les atomes et leur faire atteindre un niveau d’énergie supérieur, procédé qui s’apparente à la montée d’une marche. Comme il est nécessaire de fournir aux atomes un rayonnement laser à une fréquence exacte pour réaliser cette montée, un léger décalage et le phénomène ne se produit plus. Cette réponse est la source de la régularité de cette mesure.
Théoriquement, il suffit donc de vérifier que les atomes montent la marche souhaitée, et l’horloge est alors correctement réglée.

Une précision de mesure complètement folle

Pour ensuite compter les secondes qui défilent, il n’est question que de convention. Un nombre précis d’oscillations du rayonnement laser correspond à une seconde. Pour les horloges au strontium, cette valeur s’élève à 429 228 004 229 873 oscillations.

Les mesures réalisées par ces horloges sont d’une précision diabolique : de l’ordre de 17 chiffres après la virgule. Pour atteindre ce type de performance, toutes les perturbations, même les plus petites, doivent être maîtrisées. Par exemple, la mise en route du métro parisien tous les matins produit un champ magnétique devant être compensé. Même si il est très faible, il peut perturber suffisamment les systèmes électroniques et fausser la mesure.

Les technologies développées actuellement permettront, une fois au point, une précision de 18 chiffres après la virgule. Bien que cela soit une mesure très fine, rien n’indique qu’il s’agisse de la limite théorique. Tant qu’une limite ne sera pas atteinte, cette quête de précision se poursuivra.

Hugo Dugast & Marine Gandon

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Crédit photo : ©Cyril FRESILLON / SYRTE / FIRST-TF / CNRS Photothèque