Les horloges que nous utilisons dans notre quotidien suffisent à notre besoin de mesurer le temps. Toutefois, leur précision et leur stabilité ne sont pas optimales: en effet, les modèles qui décalent après plusieurs mois ou des années d’utilisation sont courants. Les horloges de notre quotidien n’offrent donc pas les conditions exigées par la recherche scientifique.
C’est ce point précis qui a ainsi amené à la conception des horloges atomiques: leur fonctionnement repose sur la fréquence de rayonnement électromagnétique des électrons à la suite de vibrations atomiques. Le mécanisme offre un dispositif de mesure du temps extrêmement précis et stable. À noter que l’établissement du temps universel coordonné utilise une horloge atomique.
Une horloge atomique plus performante
Le chercheur sino-américain Jun Ye et le Japonais Hidetoshi Katori travaillent depuis plusieurs années sur l’amélioration des horloges atomiques, et leurs travaux ont abouti à la conception de l’horloge la plus précise au monde.
Le déclenchement de ce type d’horloge s’effectue par un jet d’atomes; les particules atomiques passent ensuite dans une cavité résonante qui modifie leur propriété énergétique. Un oscillateur à quartz équipe l’actuelle génération d’horloges atomiques pour générer la fréquence responsable des transitions énergétiques. Un système d’asservissement se met finalement en place pour assurer le fonctionnement du dispositif.
Une nette amélioration des performances
Ye et Katori ont substitué l’oscillateur à quartz par des lasers pour fabriquer l’horloge la plus précise jamais conçue: le mécanisme se compose de deux projecteurs laser placés l’un en face de l’autre. La collision des faisceaux forme des vagues oscillantes dans lesquelles les atomes subissent des transitions énergétiques plus considérables.
Notons que le dispositif bénéficie également d’un puissant mécanisme de refroidissement. Le changement des propriétés énergétiques s’effectue à des fréquences optiques: les chercheurs parlent alors d’une horloge atomique à réseau optique.
Le remplacement de l’oscillateur à quartz renforce la précision et la stabilité. L’horloge à réseau optique de Ye et Katori ne se décale que d’une seconde tous les 15 milliards d’années, contre 100 millions d’années pour les modèles actuels.
Les applications potentielles pour la nouvelle génération
Cette nouvelle horloge atomique profitera surtout à la recherche en physique théorique: elle va permettre de confirmer ou de défaire certaines théories. Précisons que l’actuelle génération a permis de vérifier l’influence de la gravité sur le passage du temps, comme l’avait énoncé la relativité générale d’Einstein.
Dans une autre mesure, les horloges à réseau optique serviront à la conquête spatiale: ils amélioreront de manière considérable la précision des manœuvres d’atterrissage à la surface d’autres planètes.
« L’utilisation de ces nouvelles horloges atomiques pour redéfinir la durée d’une seconde pourrait aider les physiciens à mener de nouvelles expériences plus précises », explique Sarah Wells du site Inverse.com.
Les horloges atomiques à réseau optique auront un impact majeur sur la science, et quand la science avance, le grand public en profite également. Les travaux de Ye et Katori permettront, par exemple, de multiplier par 1 000 la précision du GPS.