Caractéristiques Les trois horloges atomiques de l’Observatoire de Besançon
Le service chronométrique de l’Observatoire de Besançon acquiert sa première horloge atomique à jet de Césium en 1969. Dès lors, il devient le service de « métrologie du temps et des fréquences ». Ses missions premières sont :
– Participer au Temps Atomique International, devenu le temps de référence en 1967.
– Disséminer l’échelle de temps vers des laboratoires et entreprises à la pointe de la technologie.
Les horloges atomiques à jet de Césium de l’Observatoire de Besançon sont situées dans une salle climatisée, où la température est stabilisée au dixième de degrés. Ces horloges sont au nombre de trois car si l’une d’entre elles venait à dériver, on remarquerait son disfonctionnement en fonction des deux autres horloges, fonctionnant correctement. C’est pourquoi, si elles n’étaient que deux, il serait impossible de définir laquelle donne l’heure juste.
Une horloge atomique est basée sur un aspect fondamental de la physique quantique :
Un atome peut exister sous différents niveaux d’énergie. Ceux-ci ont chacun une valeur bien précise. Cette valeur caractérise la nature de l’atome (hydrogène, césium…).
Pour qu’un atome passe d’un niveau d’énergie à un autre niveau plus élevé (une transition atomique), il doit recevoir un photon (un grain élémentaire de lumière). L’énergie de ce photon doit correspondre exactement à la différence d’énergie entre le niveau final et le niveau initial.
A l’inverse, pour revenir au niveau d’énergie initial il doit lui-même émettre un photon de même énergie.
Par ailleurs, un photon transporte de l’énergie qui est directement proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique associée (c’est-à-dire à la couleur de la lumière).
Par exemple, un photon de lumière violette transporte deux fois plus d’énergie qu’un photon de lumière rouge, qui en transporte plus qu’un photon infrarouge, qui en transporte plus qu’un photon onde radio. Bien qu’elles ne soient pas visibles, les ondes radio sont de même nature que la lumière, seule leur fréquence, nettement plus basse, les distingue.
Puisque les différents niveaux d’énergie entre les états d’un atome ont des valeurs parfaitement définies, il en est de même de la fréquence de l’onde électromagnétique. Celle- ci peut changer leur état ou être générée par leur changement d’état.
Pour construire une horloge, il suffit donc d’utiliser la fréquence de cette onde électromagnétique et de compter ses périodes.
Ainsi de la même façon que :
– L’horloge comtoise comptabilise les oscillations de son balancier (en faisant avancer les aiguilles de son cadran à chaque période).
– L’horloge à quartz comptabilise les périodes des vibrations de son oscillateur à quartz.
> L’horloge atomique comptabilise les périodes de l’onde électromagnétique ayant provoqué le changement d’état d’atomes (étalons passifs) ou ayant été générées par ce changement d’état (étalons actifs).
Fonctionnement
L’horloge à jet de césium est l’horloge atomique la plus stable et la plus exacte. Son fonctionnement, illustré ci-dessous peut être résumé de la façon suivante :
1 – Un oscillateur à quartz génère un signal électrique de fréquence 10 MHz (10 mégahertz, soit dix millions d’oscillations par seconde) aussi exactement que possible.
2 – Un dispositif électronique multiplie la fréquence de base du signal (produit par l’oscillateur à quartz) pour obtenir un signal dont la fréquence vaut 9.192.631.770 Hz (étage multiplicateur de fréquence).
3 – Ce signal de très haute fréquence (signa hyper- fréquence ou micro-onde) est ensuite injecté dans un guide d’onde. Ce guide d’onde a une géométrie qui lui permet d’entretenir une résonance à cette fréquence particulière (cavité de Ramsey).
4 – Un four envoie un jet d’atome de césium 133, qui, au départ, se trouve dans plusieurs états d’énergie différents (symbolisés par état A et état B sur le schéma).
5 – Un système de déflexion magnétique dévie les atomes qui ne sont pas dans l’état A. Seuls les atomes dans l’état d’énergie A pénètrent dans la cavité de Ramsey. On sélectionne les atomes prêts à entrer dans la cavité.
6 – Si la fréquence injectée dans la cavité a très exactement la valeur 9.192.631.770 Hz, alors un grand nombre d’atomes passent de l’état A à l’état B. C’est la phase d’interrogation.
7 – Un second système de déflexion magnétique sépare la direction des atomes dans l’état A de celle des atomes dans l’état B. On sélectionne ici la sortie des différents atomes.
8 – Un détecteur, placé sur le trajet des atomes dans l’état B, compte le nombre d’atomes reçus. C’est l’étage de détection.
9 – En fonction de la réponse du détecteur, un système modifie la fréquence du quartz. De telle sorte, le nombre d’atomes détectés dans l’état B sera maximal. C’est la boucle d’asservissement.
C’est donc un oscillateur à quartz qui est à la base d’une horloge atomique à jet de césium. Les atomes de césium ne sont là que pour contrôler et ajuster la fréquence du signal généré par le quartz.
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