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L’horloge atomique constitue une réalisation de la définition de la seconde, étalon de mesure du temps. Cette réalisation se base sur le nombre d’oscillations d’un rayonnement, correspondant à deux niveaux d’énergie d’un atome précis. D’où son nom d’horloge atomique. Les atomes utilisés sont par exemple le césium 133, le rubidium ou l’hydrogène. Les horloges atomiques ont été mises au point dans les années 1950 puis améliorés, grâce – entre autres - aux travaux de plusieurs prix Nobel de Physique : I. I Rabi (1944), A. Kastler (1966), N. Ramsey (1988), Chu-Cohen-Philips (1997), Hall-Haensch-Glauber (2005), Haroche-Wineland (2012).
Pratiquement, un atome de césium 133 est irradié par des ondes électromagnétiques, ayant une fréquence précise. Cette irradiation, si sa fréquence est exacte, fera passer l’atome d’un état d’énergie à un autre. Il faut alors à ce rayonnement 1 seconde divisée par 9 192 631 770 pour faire une oscillation. Dit autrement, il faut 9 192 631 770 oscillations de ce rayonnement pour constituer une seconde. Ce nombre élevé d’oscillations n’est pas anodin. En effet, plus il est grand, plus l’horloge sera précise et stable. Une précision de l’ordre de la nanoseconde, soit une erreur d’une seconde toutes les dizaines de millions d’années dans le cas d’une horloge atomique. Inutile pour le commun des mortels ?
La définition du mètre découle de celle de la seconde. En effet, le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299792658 seconde. Sans une mesure suffisamment précise du temps et de la distance, pas de GPS par exemple. En effet, de manière générale pour la navigation par satellite, il faut que l’horloge soit stable à la nanoseconde (ns) près, pour que l’erreur de position soit inférieure à 1 mètre (environ). Concrètement, une erreur d’une seconde engendrerait une erreur de position de l’ordre de 300’000 kilomètres. C’est pour cette raison que les satellites GPS sont équipés d’horloges atomiques. Un quartz ne permettrait pas de garantir une nanoseconde de précision.
Autre applications : les réseaux de télécommunication et les réseaux de distribution d’énergie. Afin de minimiser la perte d’information pour le premier ou les surcharges pour le deuxième, une fine synchronisation entre chaque nœud du réseau est nécessaire, cette fois à la microseconde. Le besoin de précision est ici moindre par rapport au GPS, mais reste indispensable.
La datation des transactions financières et la synchronisation des banques de données (Big Data) seraient également des domaines d’applications dans un futur proche.
Toutes ces applications commerciales et industrielles sont notamment rendues possibles grâce aux recherches effectuées au Laboratoire Temps Fréquence de Neuchâtel qui fait régulièrement parler de lui pour de très bonnes raisons. Il conduit d’ailleurs des projets sur les horloges atomiques avec d’autre membres de Microcity, tels que le CSEM et l’antenne neuchâteloise de l’EPFL. Miniaturisation, utilisation de lasers permettant d’améliorer de 10 fois la précision d’une horloge au césium ou encore création de pièces grâce à l’imprimante 3D, on peut dire que l’horloge atomique, malgré ses 70 ans d’existence, sait vivre avec son temps.
Emission de radio CQFD, 23 février 2018, rencontre avec Gaetano Mileti, directeur adjoint du Laboratoire Temps-Fréquence à l'Unine