Avec de meilleures horloges atomiques les scientifiques se préparent à redéfinir la seconde
Les horloges atomiques qui marquent le temps officiel perdent l’équivalent de seulement une seconde tous les 200 millions d’années. Mais les métrologues ne sont pas satisfaits. Une norme de temps plus précise pourrait améliorer la navigation des engins spatiaux et aider les expérimentateurs à rechercher des variations dans les constantes fondamentales qui définiraient une nouvelle physique. Le projet est donc de remplacer les horloges actuelles, qui sont réglées sur une fréquence de micro-onde spécifique, avec des horloges encore meilleures qui exploiteraient la plus haute fréquence de la lumière visible.
Une feuille de route
Dans un article publié le mois dernier, un groupe d’experts mis en place par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) à Sèvres, en France, a établi une feuille de route pour définir les étapes nécessaires afin de redéfinir l’unité de temps – plus précisément la seconde métrique. Déjà, les physiciens de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) Boulder Laboratories au Colorado semblent répondre à l’une des principales exigences de la feuille de route – avec une amélioration de 100 fois plus précise que les meilleures horloges à micro-ondes.
Les horloges marquent le temps en suivant une action périodique. Une horloge grand-père repose sur les oscillations régulières d’un pendule, et la définition originale de la seconde était basée sur la durée d’un jour fixé par l’orbite de la Terre. Les horloges atomiques actuelles dépendent des oscillations d’un faisceau de micro-ondes à une fréquence nécessaire pour exciter les atomes de césium-133 à un niveau d’énergie plus élevé. En 1967, la seconde a été défini comme 9 192 631 770 cycles d’un faisceau accordé à l’étalon de césium. Aujourd’hui, les meilleures horloges au césium ont une précision de 1,6 partie à 1016.
Plus de précision avec la lumière visible
La fréquence de la lumière visible est environ 100 000 fois plus élevée que celle des micro-ondes, promettant encore plus de précision. Cependant, les lasers nécessaires pour refroidir les atomes et fournir une référence stable sont un véritable défi à construire. Les améliorations de la technologie laser ont conduit le BIPM il y a quelques années à commencer à examiner la précision des horloges optiques. Le 14 février, elle a publié un article dans son journal, Metrologia, présentant cinq étapes à franchir avant que la seconde puisse être redéfinie à partir de la lumière visible. Et dans le travail d’Andrew Ludlow et ses collègues du NIST, ils semblent avoir atteint la précision stipulée par la première étape du BIPM.
L’équipe du NIST a opéré deux horloges optiques, utilisant plusieurs lasers pour refroidir et piéger quelques milliers d’atomes d’ytterbium dans un «réseau optique», puis exciter une transition énergétique particulière dans ces atomes. Les chercheurs ont constaté que les deux horloges coïncident au même rythme à moins de 1,4 partie en 1018, soit un peu plus de 100 fois mieux que les dispositifs de césium supérieurs. « Ce serait la première fois que deux horloges dans la même espèce se seraient mises d’accord à ce niveau », explique Ludlow.
Étant un groupe prudent, les métrologues n’accepteront pas le résultat du NIST aussi rapidement Jérôme Lodewyck, un physicien travaillant sur les horloges à strontium au laboratoire Time-Space Reference Systems de l’Observatoire de Paris, nous explique que le résultat du NIST est « probablement correct », mais que pour changer la seconde, « il est probablement correct n’est pas assez bon ». Il note que quelque chose d’inattendu – peut-être un champ électrique égaré – pourrait affecter deux horloges dans le même laboratoire, rendant la dérive indétectable.
La feuille de route du BIPM prévoit un certain nombre de vérifications croisées, notamment l’obtention de la précision requise avec les horloges de différents laboratoires. Une autre vérification consisterait à comparer le « ticking » de différents types d’horloges atomiques. Les scientifiques du NIST et les collègues de JILA, un institut de recherche sur la route à Boulder, font exactement cela en comparant les horloges d’ytterbium à celles qui reposent sur les atomes de strontium et les ions d’aluminium. Ludlow nous explique que les mesures ne sont pas loin de la précision désirée, et qu’une fois qu’ils auront terminé, ils pourront comparer leurs résultats avec des laboratoires en Europe ou en Asie.
Un nouveau type d’horloge
Selon Ludlow, le problème n’est pas de savoir comment choisir la transition atomique – et donc le type d’horloge – qui finira par définir la seconde. Il préfère les horloges fabriquées à partir de treillis d’atomes neutres car elles ont besoin de fonctionner que quelques heures avant d’atteindre leur précision, alors que les dispositifs rivaux fabriqués à partir d’ions piégés peuvent nécessiter des semaines pour arriver au même résultat. Mais il reconnaît qu’aucune horloge n’est encore parfaite. «Les horloges ioniques ont fait de grands progrès au cours de la dernière décennie et elles continuent de s’améliorer», explique-t-il.
Patrick Gill, un physicien laser au National Physical Laboratory à Teddington, Royaume-Uni, nous explique que le passage aux horloges optiques ne devrait pas se produire alors qu’ils s’améliorent tous si rapidement. Il dit que les fonctionnaires pourraient se mettre d’accord sur une nouvelle définition lorsque le premier organisme métrologique mondial se réunira en 2026. (L’organisation se réunit tous les 4 ans et a approuvé cette année de nouvelles définitions pour quatre autres unités métriques: le kilogramme, l’ampère et le kelvin.)
Consacrer plus de temps
Ekkehard Peik, responsable du groupe du temps et de la fréquence de l’Institut national de métrologie de Braunschweig, est plus prudent. Arguant que les horloges au césium sont suffisamment précises pour être utilisés. De plus, il affirme qu’une redéfinition peut probablement attendre jusqu’au début des années 2030, offrant plus de temps aux scientifiques pour se démarquer avec des horloges concurrentes. Une telle rivalité, dit-il, «est ce qui pousse aussi le progrès et il ne faut pas en avoir peur».
photo d’ouverture : un nuage d’atomes de strontium refroidi, émettant une lumière bleue, est piégé dans une chambre à vide d’une horloge optique de l’Institut national de métrologie en Allemagne.
[via Science]