Une collaboration autour les laboratoires du NIST [1] a permis la réalisation d’une nouvelle horloge atomique, plus précise encore que les précédentes.

Fig.1 - Schéma du dispositif conçu au JILA.

Des lasers bleus (puis rouges, non représentés) permettent de refroidir les atomes de strontium. Un laser infrarouge (dessiné en rouge ci-dessus) forme ensuite une cavité optique pour immobiliser les atomes. Un pulse laser ultra-court sera ensuite envoyé à travers le système, dont la lumière émise sera collectée par un détecteur.
(Crédits : JILA/NIST/Université du Colorado.

Jusqu’à présent, la mesure du temps standard est ajustée sur la fréquence d’oscillation de l’atome de césium-133 (¹³³Cs) [2]. L’horloge atomique du NIST, baptisée NIST-F1, basée sur ce principe permet ainsi d’atteindre une précision de l’ordre de 5x10^-16. Ce chiffre signifie qu’il faudrait 2x10¹⁵ s, soit environ 63 millions d’années, pour que l’horloge se décale d’une seconde.

Des chercheurs du JILA, un institut faisant collaborer des chercheurs du NIST et de l’Université du Colorado (Etats-Unis), sont parvenus à mettre au point une horloge encore plus précise, basée cette fois sur la vibration de l’atome de strontium (Sr), un élément alcalino-terreux [3]. Comme il s’agit de mesurer de très grandes fréquences (plusieurs centaines de THz) avec une très grande précision (au millihertz près), le mouvement des atomes doit être contrôlé très précisément. Ils sont donc dans un premier temps rendus quasiment immobiles par des lasers (bleus puis rouges), qui refroidissent ainsi une centaine d’atomes de strontium. L’utilisation d’un aussi grand nombre d’atomes permet d’obtenir un rapport signal/bruit plus favorable que l’utilisation d’un atome seul. Puis, pour pousser plus loin le refroidissement, ils sont emprisonnés dans une cavité optique formée par des lasers dans le proche infrarouge. La fréquence de ces lasers est réglée très précisément sur la fréquence à laquelle les atomes de strontium passent d’un niveau d’énergie électronique à un autre, soit environ 430 THz [4], contraignant ainsi les atomes à rester quasiment immobiles. Un pulse laser ultra-rapide (quelques femtosecondes [5]) formé d’une multitude de fréquences, appelé ici clock laser, va alors exciter la plupart des atomes de strontium.

Fig.2 - Un exemple de peigne de fréquence.

A chaque fréquence correspond un pic. Dans l’expérience du JILA, la différence entre chaque pic donne accès à la fréquence, et donc au temps, de l’horloge atomique.
Crédits : JILA/NIST/University of Colorado.

Par la suite en se désexcitant, les atomes vont émettre de la lumière à leur fréquence de résonnance, les fameux 430 THz. En corrélant ce signal avec la fréquence du clock laser, les chercheurs savent combien de photons ont été absorbés à chaque fréquence, combien d’atomes ont été excités dans l’état désiré, et donc ajuster la fréquence du clock laser pour exciter le plus d’atomes possible. Une fois l’ajustement optimal, le peigne de fréquences obtenu est formé de dents régulièrement espacées, correspondant à la fréquence de résonnance de l’atome de strontium (430 THz). L’espacement de ces dents donne ainsi le "tic-tac" de l’horloge (Fig.2).

Cette horloge a permis d’atteindre une précision de l’ordre de 10^-16. Les chercheurs ont envoyé son signal à travers une fibre optique de 3,5 km, et l’ont comparé au signal produit par une autre horloge atomique fonctionnant à l’aide d’atomes de calcium (Ca). Cet essai a permis de démontrer la précision de la nouvelle horloge, ainsi que la possibilité de synchronisation à distance. L’équipe espère désormais pouvoir comparer les performances de leur montage avec l’horloge la plus précise au monde, également développée au NIST, fonctionnant non pas avec des atomes mais avec un seul ion mercure (Hg⁺).

La technique développée par les chercheurs du JILA offre un potentiel d’applications énormes en physique. L’analyse spectrométrique d’un pulse laser femtoseconde peut permettre de déterminer avec une très grande précision les fréquences, et donc les énergies de rotation, vibration, ou transitions électroniques d’atomes ou de molécules. L’interaction matière-rayonnement devient ainsi sondable aux plus petites échelles. Du côté des applications technologiques, les horloges atomiques sont indispensables dans les domaines des télécommunications (téléphone, Internet...) et du positionnement (GPS), qui nécessitent une précision toujours plus grande.