Le temps des atomes

La construction et la commercialisation d'horloges atomiques à hautes performances du type « Maser à hydrogène » restent l'apanage premier des Américains et des Russes. Les Suisses commercialisent également des horloges de ce type, mais avec un cœur russe. L'Europe voudrait devenir totalement autonome dans ce secteur, notamment pour répondre aux besoins de son système de géolocalisation Galileo. Le service de physique atomique du professeur Thierry Bastin a relevé le défi avec la société liégeoise Gillam-FEi dans le cadre du « Plan Marshall » wallon. Un premier prototype vient d'être réalisé. La prochaine étape a pour but de diviser par dix le poids de ces engins afin qu'ils puissent être embarqués à bas coût sur les satellites. Ce serait une première mondiale pour des masers de ce type.

L'histoire de la mesure du temps est probablement presqu'aussi longue que celle de l'humanité. Ou plus exactement l'histoire de la mesure d'intervalles de temps, car c'est toujours cela que nous mesurons. L'homme s'est donc très naturellement tourné vers des phénomènes qui présentaient une grande régularité comme la rotation de la Terre sur elle-même ou celle de la  Lune autour de la Terre. Puis il a essayé de réaliser des instruments capables d'objectiver ces observations et de mesurer de tels intervalles: cadrans solaires ou sabliers par exemple. Le XVIIe siècle, dans la foulée des travaux de Galilée sur le pendule, va connaître une avancée décisive: la mise au point des horloges à balancier. « Car, in fine, qu'est-ce qu'une horloge, s'interroge le professeur Thierry Bastin, directeur du service de spectroscopie atomique et de physique des atomes froids de l'Université de Liège? Un système qui, au cours du temps, va osciller de façon régulière. Peu importe ce qui oscille, mais on veut que cela soit le plus régulier possible. » Dans les horloges mécaniques, la période d'oscillation dépend de la longueur du balancier et de l'accélération de la pesanteur. Autrement dit, si la longueur du balancier se modifie (à cause de la température par exemple), l'horloge perd de sa précision; il en est de même si l'accélération de la pesanteur change (par exemple en prenant de l'altitude). Les horlogers n'auront donc de cesse de perfectionner leurs systèmes avec, il faut le reconnaître, des succès certains: en 1759 déjà, John Harrison fabrique une horloge dont la précision est d'un dixième de seconde par jour! Mais il faut attendre 1918 -du moins pour le principe, la réalisation viendra dans les années 1930- pour connaître une nouvelle percée scientifique: le système à quartz. Cette fois, ce qui oscille n'est plus un système mécanique mais une tension électrique. La vibration mécanique du cristal induit un champ électrique qui oscille à une fréquence précise et, surtout, bien plus élevée (quelques millions de fois par seconde) que celle des pendules. Or, plus le nombre d'oscillations dans un intervalle de temps donné est élevé, plus précise est potentiellement la mesure. On imagine donc sans peine que ces horloges à quartz, comme on les a nommées, ont un degré de précision et  d'invariabilité largement suffisant pour toutes les applications de la vie quotidienne. Mais les physiciens, s'ils expliquent les phénomènes de la vie quotidienne, doivent aussi s'en évader. La recherche d'une plus grande précision et fiabilité les a ainsi conduits vers la mise au point d'horloges atomiques.

Les horloges atomiques

« Une horloge est dite atomique, explique Thierry Bastin, parce que son principe de  fonctionnement se base sur les propriétés individuelles des atomes. Une horloge à balancier est basée sur les propriétés du balancier mais pas sur les propriétés individuelles des atomes qui composent le balancier. Il en est de même pour les horloges à quartz basées sur l'oscillation d'un cristal de quartz, donc sur l'ensemble du cristal et pas sur les atomes qui le composent. Par contre, dans une horloge atomique, on exploite les propriétés des atomes individuellement, même si, bien sûr, on va utiliser de nombreux atomes (1). »

Comment fonctionnent ces horloges? Ce sont en fait des systèmes à quartz améliorés. Elles comportent en effet un quartz.... mais qui est en quelque sorte placé sous surveillance! Une compression d'un quartz engendre en effet à sa surface l'apparition de charges électriques oscillantes; c'est ainsi qu'on obtient un oscillateur (une horloge) électrique à une fréquence très stable... si les dimensions du quartz ne se modifient pas. Comme on l'a vu, ces possibles déformations n'ont pas d'importance pour la plupart des applications. Mais on sait que sur le long terme, un quartz subira des modifications qui ne seront pas détectées. L'horloge va donc dériver sans que l'utilisateur s'en rende compte. Les horloges atomiques vont permettre de – presque – supprimer ce défaut puisqu'elles détectent en temps réel les moindres variations de la fréquence du quartz: on peut donc « recadrer » celle-ci, la maintenir constamment à la valeur voulue.

Comment les atomes peuvent-ils jouer ce rôle? On sait qu'ils peuvent émettre ou absorber des rayonnements électromagnétiques. Mais seules certaines fréquences du rayonnement seront absorbées (ou émises) par les atomes. Et bien entendu, chaque type d'atome émet (absorbe) dans des fréquences qui lui sont propres: un atome d'hydrogène et un atome de césium ne se comportent pas de la même manière à cet égard... mais tous les atomes d'hydrogène (et tous ceux de césium) se comportent entre eux à l’identique. C'est évidemment très précieux car un atome de césium à Liège est rigoureusement identique à un atome de césium partout ailleurs dans le monde, ce qui assure une parfaite réplicabilité du phénomène. Lorsque les atomes émettent (ou absorbent) un rayonnement, ils changent d'état (ils sont par exemple portés à un état excité) et il est possible de connaître à tout instant la probabilité qu'un atome se trouve dans tel ou tel état. Si la fréquence du rayonnement qui provoque ce changement d'état varie quelque peu, la probabilité de voir l'atome changer d'état diminue. Si on soumet non plus un atome mais un jet d'atomes à un rayonnement à une fréquence précise, on peut donc compter en temps réel combien d'atomes changent d'état. Le nombre est maximum pour la fréquence idoine; dès qu'on s'écarte un peu de celle-ci, le nombre d'atomes changeant d'état diminue. On a donc ainsi un moyen de réajuster constamment une fréquence, une oscillation... en l'occurrence celle du quartz qui fait partie de l'horloge atomique. « Comme les atomes sont très sensibles à la fréquence du rayonnement auquel on les soumet, précise Thierry Bastin, on peut dire qu'ils sont capables de mesurer cette fréquence avec une précision extraordinaire. Dès qu'une infime variation est détectée, le système d'asservissement corrige la fréquence d'oscillation du quartz. On a donc un système oscillant – une horloge- d'une régularité phénoménale! ».

Une seconde sur 30 millions d'années!

Les horloges atomiques surpassent tous les autres systèmes d'oscillation par leur précision et leur stabilité. Une stabilité typique d'une horloge atomique est 10^-15 sec par sec. Donc, sur une seconde, on s'attend à une fluctuation de temps d'au maximum un millionième de milliardième de seconde. Sur une journée, cela veut dire qu'elle aura une fluctuation maximale de 10^-10 sec, soit un dixième de milliardième de seconde (un dixième de nanoseconde). Autrement dit, il faut attendre 30 millions d'années pour observer une dérive d'une seconde entre deux horloges... « ce qui équivaudrait à moins de 3 minutes depuis la naissance de la Terre il y a plus de 4 milliards d'années », s'enthousiasme Thierry Bastin. Et ces limites ne cessent de reculer: on atteint aujourd'hui 10^-18 sec par sec!

De telles horloges sont utiles, et nécessaires, tout d'abord pour vérifier certaines théories de la physique, par exemple la relativité restreinte et générale. Ces théories prédisent que le temps ne s'écoule pas de la même manière selon qu'on est en mouvement ou pas, selon qu'on est plus proche ou plus éloigné du centre de la Terre. Pour vérifier ces prédictions théoriques, il a fallu embarquer des horloges dans des avions puis dans des fusées. Mais il fallait évidemment des horloges dont la stabilité était totale pendant la durée des expériences. Une autre question taraude l'esprit des physiciens depuis des décennies: les constantes de la physique sont-elles... constantes? La vitesse de la lumière, par exemple, a-t-elle toujours été celle qu'on mesure aujourd'hui? Les protocoles expérimentaux mis en place pour répondre à ce genre de questions requièrent des mesures de temps sur des processus physiques avec des précisions que seules les horloges atomiques peuvent donner. Autre exemple: pour démultiplier la puissance des télescopes, il faut les coupler. Il faut donc coordonner l'arrivée des signaux en provenance des différents télescopes avec des précisions très importantes.

Mais les horloges atomiques ont aussi leur utilité dans le vie quotidienne. Dans le système GPS, le positionnement d'un objet au sol se base sur des mesures de temps de transmission de signaux ; toute imprécision sur la mesure de propagation des signaux se répercute sur la précision au sol. Seules des horloges atomiques, embarquées à bord des satellites, peuvent apporter la précision et la stabilité nécessaires pour que la localisation soit utile. Dernier exemple, le plus important peut-être: le secteur des télécommunications. Les signaux dont nous sommes bombardés doivent être échantillonnés dans le temps à intervalles réguliers à l'émission mais aussi à la réception avec la même mesure. Si émetteur et récepteur ne sont pas synchrones, il y aura des problèmes. Plus la synchronisation est grande, plus les débits de transmission pourront être élevés; plus on peut échantillonner rapidement, plus on peut transmettre des quantités d'information par unité de temps. L'Internet haut débit n'est concevable que parce qu'il existe des horloges atomiques.

Mais qu'est-ce qu'une seconde?

Les horloges atomiques ont une autre utilité: être les gardiennes du temps. Ou plus exactement fournir la définition de l'unité de temps, à savoir la seconde.
Jusqu'en 1960, la seconde est définie comme étant le 3.600ème d'un 24^ème d'un jour moyen, c'est-à-dire du temps moyen qu'il faut à la Terre pour accomplir sa rotation autour d’elle-même avec le soleil comme référence. Mais au fil du temps, la Terre tourne de moins en moins vite! C'est évidemment minime: dans 100 ans, la Terre mettra environ 2 millisecondes de plus qu'aujourd'hui pour accomplir un tour sur elle-même. Notre planète tournait sur elle-même en environ 23 heures il y a 200 millions d'années et elle tournera sur elle-même en 25 heures dans 200 millions d'années. En outre, indépendamment de ce ralentissement général sur le long terme, il y a aussi des irrégularités et des variations saisonnières, dans un sens ou dans l'autre. Autrement dit, un jour n'est pas l'autre. Pour le comprendre, il faut se souvenir du patineur sur glace: lorsqu'il tourne sur lui-même les bras écartés puis qu'il ramène ses bras le long du corps, il accroît sa vitesse de rotation. Il en va de même pour la Terre dont la vitesse de rotation change en fonction de la distribution des masses à sa surface, ce qui se produit par exemple lorsqu'il y a un tremblement de terre.  A cause de ces deux effets, il est difficile de baser une définition précise de la seconde sur la rotation de la Terre. Du moins si l'on veut que l'intervalle de temps nommé seconde reste constant à travers les siècles et même les millénaires. En 1960, il a donc été décidé de baser la définition de la seconde sur la révolution de la Terre autour du Soleil, phénomène plus stable que la rotation. La seconde a dès lors été définie comme la durée de cette révolution divisée par le nombre précis de jours qu’elle requiert (un peu plus de 365), puis par 24 et enfin par 3600, soit très rigoureusement la 31.556.925,9747 ^ème partie de l’année dite tropique centrée sur 0 janvier 1900 à 12h Greenwich. C’est la seconde dite des éphémérides dont la durée équivaut à celle de la seconde basée sur la rotation de la terre telle qu’elle avait typiquement lieu à la fin du XIXe siècle. Cette nouvelle définition de la seconde n'a perduré que jusqu'en 1967. Cette année-là, le temps est devenu atomique et non plus astronomique.  La précision des horloges atomiques est en effet telle qu'elles surpassent tous les autres systèmes de mesure du temps. C'est donc à elles que revenait l' « honneur » de servir d'étalon pour la définition de la seconde. C'est ainsi qu'aujourd'hui, la seconde se définit comme étant le temps qu'il faut pour qu’une certaine onde électromagnétique émise par un atome de césium fluctue 9.192.631.770 fois.

Une seconde en plus en 2012

Avec cette définition atomique du temps, on se trouve en quelque sorte en présence de deux temps: il y a toujours le temps astronomique, celui que nous vivons en quelque sorte tous les jours, héritage de la définition basée sur la rotation de la Terre. Et le temps atomique, totalement indépendant de cette rotation. Il y a donc ce que l’on appelle le temps universel (UT), basé sur la rotation de la terre, et le temps atomique international (TAI), donné par la moyenne d’un ensemble de plusieurs centaines d’horloges atomiques réparties de par le monde, moyenne réalisée sous la houlette du Bureau International des Poids et Mesures situé dans la banlieue parisienne. Les deux temps ne vont faire que diverger au cours du temps puisque le premier est basé sur un phénomène qui ralentit en moyenne alors que le second est beaucoup plus stable, plus régulier. Si on mesure très précisément 24 heures sur une horloge atomique, on constatera que, pendant ce laps de temps, la Terre n'a pas tout à fait terminé une rotation complète... C'est la raison pour laquelle, de temps en temps, on doit rajouter une seconde, dite intercalaire (ou en enlever une si par exemple la répartition des masses à la surface de la Terra faisait que sa rotation s'était momentanément accélérée!). C'est ce qui se produira en cette année 2012: la dernière minute du dernier jour de juin comptera une seconde supplémentaire : après 23h59’59’’ – 30 juin, heure GMT, il sera 23h59’60’’, puis seulement encore une seconde plus tard 0h0’0’’ – 1^er juillet. A ce moment, l’écart entre les deux échelles de temps sera à nouveau réduit en deçà de la seconde. A ce jour, depuis 1972, 24 secondes intercalaires ont été ajoutées pour garder la coïncidence entre les deux types de temps. Le temps TAI ainsi corrigé est appelé temps universel coordonné (UTC). Il présente le double avantage d’avoir la précision du temps atomique international TAI tout en gardant une bonne synchronisation avec la rotation de la terre, c’est-à-dire avec le temps universel UT.

Pourquoi vouloir cette coïncidence alors que la différence est tellement minime que, pendant longtemps, nous ne la remarquerons pas? Il faudra en effet attendre quelques milliers d’années pour qu'il y ait une différence d'une heure entre les 2 échelles de temps. Il sera toujours temps à ce moment là d’effectuer une correction en une seule fois... La demande de synchronisation est venue des marins qui, au début des années 1970, lorsque le temps atomique venait d'être défini, avaient besoin de signaux temporels calés au mieux sur la rotation de la Terre car ils effectuaient encore beaucoup de mesures au sextant. A l'heure des GPS, cette nécessité n'existe plus et il est de plus en plus question de supprimer cette seconde intercalaire car il n'est pas aisé d'ajouter une seconde en même temps à toutes les horloges atomiques. « Mais cela n'enthousiasme pas les Anglais, sourit Thierry Bastin, car cela voudrait dire que le méridien de Greenwich perdrait encore davantage de son importance! Par abus de langage, GMT (Greenwich Mean Time) est en effet aujourd’hui souvent employé comme synonyme du temps universel coordonné UTC, bien que stricto sensu GMT signifie simplement l’heure solaire moyenne au méridien de Greenwich et correspond donc normalement au temps universel UT. Alors, si l'UTC venait à disparaître au profit de TAI, Greenwich serait renvoyée définitivement à l'histoire …, du moins pour ce qui concerne son rôle particulier dans l’établissement de l’échelle de temps officielle. »

L'horloge liégeoise

Les premières horloges atomiques ont vu le jour fin des années 1940, mais ces essais n'ont guère été concluants. Ils le deviendront milieu des années 1950, avec le recours aux atomes de césium, plus exactement son isotope 133, qui n'est pas radioactif. « En principe, tous les atomes peuvent être utilisés dans des horloges atomiques, précise Thierry Bastin, mais lorsqu'on a commencé à en construire, on a sélectionné des atomes (césium, rubidium et hydrogène) qui émettent dans une gamme de fréquences qu'on maîtrisait bien, à savoir les micro-ondes. » Si les atomes de césium ont été les premiers à être utilisés et restent sans doute les plus fréquents, les horloges à hydrogène (dites MASER à hydrogène pour Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation),  apparues au début des années 1960, offrent une plus grande stabilité. C'est à cette catégorie qu'appartient l'horloge mise au point à l'Université de Liège.

La première étape consiste à sélectionner des atomes d'hydrogène dans leur état d'émetteur. Cela fait, on envoie un jet de ces atomes vers une cavité appelée cavité de résonance. Ils y sont soumis à une onde électromagnétique de fréquence adéquate. Excités, les atomes émettent un signal (très faible, de l'ordre d'un dixième de picowatt!) qui sera capté par un détecteur. Mais un atome est vite perturbé  par un champ magnétique. Il faut donc éliminer tous les effets dus à des champs résiduels (le champ magnétique terrestre par exemple), ce qui nécessite d'entourer le système d'un blindage magnétique. Pour que les atomes d'hydrogène soient seuls dans la cavité, il faut y créer le vide, d'où la présence de pompes à vide. Comme la cavité ne peut emmagasiner qu'une onde à une fréquence particulière, sa grandeur dépend de la longueur de l'onde qui excite les atomes, donc du choix de ceux-ci. Pour l'hydrogène,  il faut une cavité d'une vingtaine de cm de diamètre (la taille des cavités des horloges à rubidium est moindre, mais ces horloges sont moins stables). Une taille qui ne pourra absolument pas varier, notamment sous l'effet de la température, sinon cela influencera la fréquence et perturbera le système. Il faut donc stabiliser l'ensemble au dix-millième de degré! Sans compter, en amont un système qui dissocie les molécules H2 du gaz d'hydrogène en atomes H et, en aval, toute l'électronique de détection des signaux. Bref, on l'aura compris: un MASER à hydrogène est un système relativement volumineux et lourd. Ce qui accroît d'autant la taille et le poids (donc le coût de lancement!) des satellites lorsqu'il faut les envoyer dans l'espace.

L'idée du professeur Thierry Bastin et de la firme Gillam-FEi est donc de miniaturiser une telle horloge. Il existe déjà des horloges de type maser à hydrogène de tailles assez réduites mais leurs performances sont moindres car elles fonctionnent en un mode dégradé (mode passif). Le pari liégeois est de miniaturiser le système sans en diminuer la performance (en gardant le caractère actif de l’horloge). « Nous avons introduit un projet dans le cadre du Plan Marshall en 2008, explique Thierry Bastin. L'objectif final est de réaliser un prototype à embarquer sur satellite. Mais nous démarrions de zéro, et nous avons donc choisi de commencer par construire une horloge atomique traditionnelle avec l'aide d’une personne ayant déjà spécifiquement de l’expérience avec ce type d’horloges, en l’occurrence le docteur Cipriana Mandache. C'est ce que nous avons fait et l'horloge fonctionne aujourd'hui à notre entière satisfaction. L'étape suivante est celle de la miniaturisation. Et là, nous n'en sommes qu'au début... ». Car si le principe de base du MASER est connu depuis des décennies, la réalisation pratique est truffée de mille astuces. Et la miniaturisation se heurte à un problème... de taille: la grandeur de la cavité n'est pas neutre mais est liée aux longueurs d'onde utilisées. Comment dès lors réduire cette cavité sans, en quelque sorte, que le système ne s'en aperçoive? « Nous devons imaginer un autre design de la cavité, explique Thierry Bastin. Mais il faut se rendre compte que tout n'est pas connu, il n'existe pas de formule toute faite pour de si petites horloges et les simulations demandent des capacités informatiques énormes; on ne sait pas toujours tout simuler et notre travail doit est parfois être donc empirique à certains bien des égards lorsqu’il s’agit d’optimiser les composants. » Rendez-vous dans deux ou trois ans pour savoir s'il a porté ses fruits!

(1) A cet égard, il n'est peut-être pas inutile de rappeler qu'une horloge atomique n'a rien à voir avec la radioactivité! Les atomes choisis ne sont pas radioactifs, il n'y a aucun phénomène de désintégration d'atomes ni d'émission de particules. Seuls la taille de ces horloges et leur coût interdisent de les porter au poignet!