Horloge atomique - Définition

Principe de fonctionnement

Le principe général des horloges atomiques est d'asservir un oscillateur à quartz sur le rayonnement émis lors d'une transition atomique entre deux niveaux d'une structure hyperfine.

Introduction aux processus de transitions entre niveaux atomiques

• Processus énergétiques atomiques

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 ^{− 34}J.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 possédera 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 Albert Einstein, vont être à la base de toute l'interaction permettant d'élaborer un 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 physiques 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.

Exemple de l'horloge atomique à jet de césium 133

L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium NIST-F1. Cette horloge est l'étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis, avec une incertitude de 5.10^-16 (en 2005).

Un système physique, ici une enceinte chauffée contenant du césium, permet de créer un jet d'atomes. Dans ce jet seuls les atomes correspondant à l'état de départ désiré, ici E₁, sont conservés; la sélection se fait par déflexion par un champ magnétique. Un oscillateur à quartz produit un signal à 10 MHz qui est multiplié pour piloter un générateur micro-ondes à une fréquence ν' aussi voisine de ν que possible; ce signal est injecté dans une cavité résonnante, dite cavité de Ramsey. Le jet d'atomes dans l'état E₁ passe dans la cavité : plus la fréquence ν' sera proche de ν plus grand sera le nombre d'atomes qui, par absorption de l'onde, subiront la transition à l'état E₂. À la sortie, le jet atomique subit une seconde déflexion magnétique qui sépare les atomes dans l'état E₂ de ceux dans l'état E₁. Un détecteur, placé dans la trajectoire des atomes dans l'état E₂ produit un signal proportionnel au nombre de ces atomes. Plus ν' est proche de ν, plus le nombre d'atomes E₂ compté en sortie est grand. Un système d'asservissement ajuste en permanence la fréquence de l'oscillateur à quartz pour maximiser le nombre d'atomes dans l'état E₂, et donc conserver la fréquence de l'oscillateur proche de la fréquence optimale.

La fréquence de l'oscillateur est ainsi asservie à la fréquence de la transition atomique. Dans le cas du césium, la fréquence ν est 9 192 631 770 Hz. Cette valeur est exacte car elle définit la seconde, et donc le Hertz.

Le comptage du temps est ensuite assuré par une division des oscillations de l'oscillateur à quartz, associé à un circuit électronique affichant par exemple l'heure comme dans une montre à quartz. Les oscillations peuvent aussi être utilisées directement pour piloter des dispositifs ou équipements nécessitant une fréquence de fonctionnement stable.