horloge (suite)

Horloges nouvelles à très haute précision

Ces horloges doivent surtout leur nouveauté à l’invention d’autres dispositifs oscillants que le pendule libre ou le balancier circulaire. Aux oscillations de ceux-ci on a substitué les vibrations isochrones du diapason, celles du cristal de quartz ou celles de la molécule de gaz ammoniac.

• Horloge à diapason. Un diapason entretenu électriquement et maintenu à température constante définit une unité de temps comprise entre un vingtième et un millième de seconde, avec une précision qui atteint le millionième et peut-être le dix-millionième de seconde.

• Horloge à quartz piézo-électrique. On obtient des oscillations de période plus courte encore en faisant vibrer un parallélépipède rectangle de quartz à la façon dont vibre l’air d’un tuyau sonore. Les oscillations sont entrenues par la déformation d’un cristal (dilatation électrique) à l’aide d’une lampe à trois électrodes. Les oscillateurs permettent de construire des horloges dont la précision est de 10^–8, inférieure à une milliseconde par jour.

• Horloges atomiques et moléculaires. Ces horloges particulièrement sûres sont formées par des circuits oscillants entretenus (ou cavités résonnantes) dont la fréquence est strictement contrôlée par les phénomènes de transition que présentent aux radiofréquences les atomes ou les molécules de certains corps.

Un même atome peut exister dans divers états, qui diffèrent en particulier par la quantité d’énergie E emmagasinée dans l’atome ; mais seules certaines valeurs d’énergie E sont possibles pour un atome donné. L’atome ne peut effectuer la transition entre deux états particuliers correspondant aux énergies E₁ et E₂ (E₁ < E₂) que s’il donne (dans le sens de 2 vers 1) ou s’il reçoit (dans le sens de 1 vers 2) la différence d’énergie E₂ – E₁. Cet échange d’énergie peut être effectué par l’émission ou l’absorption d’un photon* appartenant à une onde électromagnétique de fréquence ν (hν = E₂ – E₁) ; c’est la loi de Bohr. La très grande précision avec laquelle sont déterminées les valeurs possibles de l’énergie E entraîne également une très grande précision sur les fréquences ν des ondes électromagnétiques capables d’échanger de l’énergie avec l’atome. Le phénomène périodique dont on compte les périodes dans une horloge atomique n’est pas l’atome lui-même, mais une onde électromagnétique capable d’interagir avec l’atome.

On distingue deux types d’horloges suivant la solution adoptée pour engendrer cette onde électromagnétique.

La première solution, qui consiste à faire engendrer l’onde par les atomes eux-mêmes, fait appel au maser.

Dans la seconde solution, la plus couramment utilisée, l’onde électromagnétique est engendrée par un oscillateur à quartz piézo-électrique. Un oscillateur à quartz fonctionne généralement à des fréquences de quelques mégahertz, et les fréquences de transition ν utilisables sont de quelques gigahertz. Mais les techniques de multiplication et de mélange de fréquences permettent de fabriquer la fréquence ν à partir de celle de l’oscillateur à quartz. La stabilité en fréquence de l’onde ainsi réalisée est celle de l’oscillateur à quartz ; les variations sont inférieures au millionième Pour obtenir un meilleur résultat, on utilise l’interaction entre l’onde et les atomes afin de stabiliser sa fréquence à un degré supérieur : si la fréquence ν de l’onde est exactement égale à la fréquence de la transition atomique il se produit un échange d’énergie mesurable entre l’onde et les atomes. Si la fréquence de l’onde s’écarte légèrement de la fréquence atomique, l’échange d’énergie devient moins important, et l’appareil de mesure en donne l’indication. En modifiant très légèrement la fréquence d’oscillation d’un quartz piézo-électrique par application entre ses deux faces d’une tension électrique continue, on réalise un dispositif automatique qui corrige la fréquence du quartz lorsque l’appareil de mesure indique un très léger écart entre la fréquence de l’onde et la fréquence atomique. La fréquence de l’onde se trouve ainsi asservie à rester constamment égale à celle de la transition atomique.

La première horloge atomique a été fabriquée en 1951 aux États-Unis par Harold Lyons. Elle utilise la transition à la fréquence ν = 23 870,12 MHz entre les deux états d’énergies les plus basses de la molécule de gaz ammoniac. On envoie l’onde de fréquence appropriée à travers un long récipient contenant du gaz ammoniac et l’on mesure son intensité, qui se trouve diminuée après la traversée du gaz. Mais cette horloge n’a qu’une précision limitée.

Au lieu d’observer la perturbation apportée à l’onde par l’échange d’énergie, on peut, au contraire, observer la perturbation apportée aux atomes. Tel est le principe du second type d’horloge atomique, mis au point quelques années plus tard à peu près simultanément par Louis Essen en Angleterre et par H. Lyons lui-même : l’horloge à jet atomique de césium. Un jet atomique est obtenu en laissant les atomes d’une vapeur pénétrer dans une enceinte soigneusement vidée à travers un mince canal. Seuls les atomes dont la vitesse est à peu près parallèle à l’axe du canal peuvent en émerger et pénétrer dans la grande enceinte vidée. Ne recontrant plus aucun obstacle, ils continuent des trajectoires rectilignes dans le prolongement du canal. Par rapport à la vapeur, le jet atomique présente trois avantages :
1^o Pendant leur durée de transit, d’une extrémité à l’autre du jet atomique, les atomes ne subissent aucune collision ; rien ne vient les perturber, et tous les phénomènes qui les concernent sont définis avec une grande précision ;
2^o Si l’onde interagissant avec les atomes se propage perpendiculairement au jet, l’incertitude en fréquence due à l’effet Doppler-Fizeau se trouve annulée ;
3^o Le jet atomique permet d’observer le comportement des atomes grâce à la méthode développée aux États-Unis par Isidor Isaac Rabi et dont voici la description.