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L'horloge atomique

Sommaire:

Aspect historique

Le premier étalon de fréquence fut construit en 1955 par L.Essen et J.Parry en utilisant l’atome de césium Cs133 . De 1955 à 1958 des mesures précises ont permis de déterminer la valeur de la fréquence micro-ondes (très haute fréquence) nécessaire pour faire passer l’atome de Cs133 de l’état hyperfin F=3 et F=4 de l’état fondamental de cet atome soit 9 192 631 770 Hz ce qui aboutira à la définition de la seconde de 1967. horloge à jet de cesiumhorloge à jet de cesium

Fonctionnement simplifié

Le principe reste le même que pour une montre à quartz car c’est aussi un oscillateur à quartz qui donne la fréquence de base. Mais au lieu de comptabiliser directement les oscillations du quartz on comptabilise les périodes des ondes électromagnétiques ayant provoqué le changement d’état d’atomes (étalons passifs) ou ayant été générés par ce changement d’état (étalons actifs).

L’horloge atomique la plus stable et la plus précise est actuellement celle au Césium 133 puisque la définition de la seconde en découle. Il en existe d’autres types comme celles à rubidium moins précises, les horloges à hydrogène passif et les masers à hydrogène actif dont la précision à court terme (inférieure à un jour) est meilleure mais dont l’exactitude à long terme est moins bonne.

Exemple de l’étalon passif :

  1. Le quartz génère un signal de fréquence 10 MHz.
  2. Un dispositif électronique permet de multiplier cette fréquence afin d’obtenir une fréquence proche de 9 192 631 770 Hz.
  3. Ce signal est injecté dans un guide d’onde qui entretient la fréquence car elle correspond à la fréquence de résonance de la cavité grâce à sa géométrie (cavité de Ramsey).
  4. Un four envoie un jet d’atomes de césium dans plusieurs états d’énergie (A et B sur le schéma).
  5. Un système basé sur la déflexion magnétique dévie les atomes qui ne sont pas dans l’état A, seuls les atomes A pénètrent dans la cavité de Ramsey.
  6. Plus la fréquence envoyée se rapproche de 9 192 631 770 Hz, plus le nombre d’atomes passés à l’état B sera grand (phase d’interrogation).
  7. Un second système sépare les atomes A et B (étage de sélection de sortie).
  8. Un détecteur sur le trajet des atomes B compte le nombre d’atomes qui ont changé (étage de détection).
  9. En fonction de la réponse du détecteur un système modifie la fréquence du quartz en temps réel afin que le nombre d’atomes passés à l’état B soit maximal (boucle d’asservissement).
shéma

Utilité de l’horloge atomique

Outre le fait de connaître l’heure d’une façon exacte, l’horloge atomique permet notamment grâce à son exactitude de faire des mesures précises nécessaires dans les domaines de la radioastronomie, la physique, la spectroscopie, la quantification des longueurs et de la tension, la fabrication de composants électroniques. Par exemple pour les longueurs le mètre-étalon n’est plus à la longueur du dix-millionième partie du quart du méridien terrestre mais la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde. Elle sert aussi pour obtenir des constantes physiques fondamentales plus précises.

Elle a aussi permis des améliorations dans la communication par exemple pour le GPS qui utilise ces horloges pour sa synchronisation temporelle et fréquentielle : Un récepteur GPS reçoit en temps réel l’heure et la position de plusieurs satellites. En confrontant les informations sur le temps du parcours des informations voyageant à 300 000 km/h il obtient ses coordonnées géographiques en 3D à quelques mètres près.

horlohe mécanique

Avantages et inconvénients

Avantages :

Inconvénients :