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! ».

(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!