Horloge atomique - Définition
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Introduction
Une horloge atomique est une horloge qui utilise la pérennité et l'immuabilité de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre pour assurer l'exactitude et la stabilité du signal oscillant qu'elle produit. Un de leurs principaux usages est le maintien du Temps atomique international (TAI) et la distribution du Temps universel coordonné (UTC) qui sont les échelles de temps de référence.
Historique
En 1947, H. Lyons 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 N. 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 Thomas Hick, 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 était réduite à 10-12 en valeur relative. C'est à cette époque qu'il fut décidé de définir le temps par rapport à une référence atomique : ce fut la naissance du Temps atomique international. La seconde sera définie alors comme étant 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).
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 plus de 300 horloges atomiques [349, décembre 2008] à travers le monde. En France, le temps légal repose sur les lectures d'une vingtaine d'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 GPS, du système GLONASS ou ceux du programme Galileo, embarquent chacun plusieurs horloges atomiques, jusqu'à 4 pour les satellites GPS.
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.
Les horloges atomiques sont aussi utilisées dans les réseaux de télécommunications pour fournir un signal de référence aux oscillateurs internes des équipements, afin d'assurer une qualité de transmission des services en accord avec les normes internationales. On utilise soit les signaux directement produits par des horloges atomiques soit les signaux élaborés à partir des émissions des satellites de la constellation GPS qui ont la stabilité des horloges atomiques embarquées.
