À ce niveau de précision, une seconde d’erreur ne s’accumulerait qu’après plus de 260 milliards d’années. Pour rappel, l'Univers en fait moins de 14.
Une horloge atomique ne compte pas le temps avec des engrenages. Elle utilise un changement très précis dans l’état d’un atome, provoqué par une lumière de fréquence déterminée. Ce changement sert de repère régulier, de la même manière qu’un balancier fournit un rythme à une horloge mécanique.
Illustration du lutétium utilisé comme référence dans une horloge atomique optique.
Crédit : Melanie Lee / Centre for Quantum Technologies.
Les chercheurs de l’Université nationale de Singapour ont choisi le lutétium-176. Chacune de leurs deux horloges enferme un seul ion, c’est-à-dire un atome portant une charge électrique. Un laser est réglé sur la fréquence propre à cet ion. L’incertitude obtenue approche 1 × 10-19, soit une vérification jusqu’à la 19e décimale.
Une telle précision ne suffit pourtant pas si elle n’est obtenue que sur un seul appareil. Les chercheurs ont donc construit deux horloges indépendantes et comparé leur rythme pendant environ 200 heures. Leur différence mesurée est restée compatible avec zéro, avec une incertitude de 5,7 × 10-19.
Le lutétium possède ici un avantage pratique. La fréquence utilisée pour mesurer le temps réagit très peu aux variations de température ou aux champs magnétiques. Cela réduit plusieurs corrections nécessaires avec d’autres atomes. Les deux dispositifs peuvent ainsi fonctionner à température ambiante tout en conservant leur précision.
À ce niveau, la gravité elle-même devient mesurable. Selon la relativité générale, le temps s’écoule très légèrement différemment selon l’altitude et le champ gravitationnel. Les deux horloges étaient assez sensibles pour détecter l’effet correspondant à environ 5 mm de différence de hauteur sur une même table.
Cette sensibilité ouvre des usages qui dépassent la simple mesure du temps. De telles horloges pourraient comparer très finement le niveau de différents lieux sur Terre, suivre certaines variations du champ gravitationnel ou tester des lois fondamentales de la physique. Elles peuvent aussi servir à rechercher d’éventuelles variations de constantes physiques.
La seconde officielle repose encore sur une transition du césium-133, utilisée comme référence internationale depuis les années 1960. Les horloges optiques utilisent des fréquences beaucoup plus élevées et atteignent aujourd’hui une meilleure précision. Les organismes internationaux étudient donc une future redéfinition de la seconde à partir de cette nouvelle génération d’horloges.
La prochaine étape sera de sortir le système du laboratoire. Les chercheurs travaillent à rendre l’horloge au lutétium transportable sans perdre sa précision. Un appareil mobile permettrait de comparer directement des horloges installées dans des laboratoires éloignés et de tester leurs performances dans des conditions réelles.