horloge (suite)

L’atome de césium, comme la molécule d’ammoniac, possède deux états d’énergies E₁ et E₂ voisines et très inférieures à celles de tous les autres états : l’état fondamental est subdivisé en deux états hyperfins. À la différence d’énergie E₂ – E₁ correspond la fréquence ν voisine de 9 192 MHz. D’après la statistique de Ludwig Boltzmann*, les atomes de césium qui sortent du réservoir se trouvent répartis, à un millième près, en nombres presque égaux entre ces deux états. Mais ceux-ci diffèrent non seulement par la valeur de l’énergie, mais aussi par leur moment magnétique, et cette différence permet de séparer les atomes. On fait passer le jet atomique dans l’entrefer d’un aimant de forme spéciale, qui crée un champ magnétique très inhomogène, c’est-à-dire dont la valeur varie énormément entre deux points voisins. Un tel champ soumet un moment magnét que atomique à une force qui tendant à le déplacer modifie sa trajectoire ; cette force, que l’on crée perpendiculaire à la direction du jet, dépend de la valeur du moment magnétique et agit en sens opposé sur les atomes appartenant respectivement aux états 1 et 2, qui décrivent des trajectoires paraboliques courbées en sens opposés. Aucun atome ne va en ligne droite.

Le champ magnétique inhomogène est, en fait, créé par deux aimants identiques, que le jet atomique traverse successivement. Entre ces deux aimants, les atomes sont soumis à l’onde hertzienne de fréquence ν, qui provoque des transitions de l’état 1 vers l’état 2 et réciproquement. Les atomes qui effectuent la transition au milieu de leur trajectoire sont déviés en sens opposés avant et après la transition. On peut faire en sorte que ces deux déviations opposées se compensent (pour une partie des atomes au moins, dont le vecteur vitesse initiale à la sortie du canal répond à certaines conditions), de telle manière que les atomes ayant effectué la transition aboutissent dans le détecteur placé sur l’axe du canal. On reçoit donc des atomes dans le détecteur à condition que l’onde hertzienne possède la fréquence exacte qui provoque la transition entre les deux niveaux.

Pour observer les transitions effectuées par les atomes, on peut encore utiliser la méthode de détection optique, développée initialement en France par Kastler* et Brossel et qui consiste à irradier les atomes avec une onde lumineuse appropriée. La lumière peut aussi être utilisée pour effectuer un pompage* optique, c’est-à-dire une modification de la répartition des atomes entre les états 1 et 2. Cela permet d’effectuer facilement l’observation sur les atomes d’une vapeur et d’éviter la technologie délicate exigée par les jets atomiques. On construit industriellement en France une horloge à pompage optique utilisant les atomes de rubidium. Les meilleures horloges atomiques actuelles ont une stabilité de fréquence voisine de 10^–12, c’est-à-dire que leur fréquence est définie avec 12 chiffres exacts. Si leur stabilité à très long terme se confirme, elles varieront de moins d’une seconde après dix milles années de fonctionnement. La précision avec laquelle elles permettent de mesurer le temps est bien supérieure à la précision obtenue par les mesures astronomiques.

La recherche horlogère

La perfection des horloges est le domaine des laboratoires nationaux et privés : Laboratoire suisse de recherche horlogère (L. S. R. H.), Centre de recherches collectif de l’industrie horlogère française de Besançon (Cetehor), Institut für Uhrentechnik und fein Mechanik de Stuttgart, Institut horloger de Moscou. Aux États-Unis et au Japon, ce sont les grandes firmes horlogères privées qui possèdent leurs propres laboratoires de recherches. Pour équiper l’aviation supersonique et les stations de surveillance spatiale, la chronométrie moderne exige des systèmes horaires de très haute précision (horloges atomiques de l’Office national d’études et de recherches aérospatiales, à Châtillon-sous-Bagneux). Une nouvelle unité de temps est née de ces nouvelles horloges. Depuis la XIII^e Conférence générale des poids et mesures (oct. 1967), la définition de la seconde n’est plus la 86 400^e partie du jour solaire moyen, mais « 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 133 ».

J. S. et B. C.

➙ Laser et Maser / Photon / Pompage.

 E. von Bassermann-Jordan, Uhren (Berlin, 1914 ; trad. fr. Montres, horloges et pendules, P. U. F., 1964). / Alte Uhren und ihre Meister (Leipzig, 1926). / M. Herrero Garcia, El Reloj en la vida española (Madrid, 1955). / A. Chapuis et F. Robert-Charrue, Grands Artisans de la chronométrie (Éd. du Griffon, Neuchâtel, 1958). / E. Morpurgo, La Mostra degli orologi antichi a Winterthur (Rome, 1959). / H. Rieben, M. Urech et C. Iffland, l’Horlogerie et l’Europe (Univ. de Lausanne, 1960). / S. Fleet, Clocks (Londres, 1961). / Z. Yusuf, Al-Kindi’s Treatise on Watchmaking (Bagdad, 1962). / P. Touchet, R. Miot et J. Renaud, Mémento pratique d’horlogerie électrique et électronique (la Générale Horlogère, 1965). / S. A. Bedini et F. R. Maddison, Mechanical Universe (Philadelphie, 1966). / L. C. Balvay, Évolution de l’horlogerie, du cadran solaire à l’horloge atomique (Gauthier-Villars, 1968). / J. Cumer, R. Gouillou et J. Zakheim, Synchronisation de stations éloignées par simple survol (Office national d’études et de recherches aérospatiales, Châtillon, 1970).