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La nouvelle génération d'horloges atomiques

Une des causes majeures d'instabilité des horloges atomiques réside dans l'agitation thermique des atomes utilisés (la température est en fait une mesure de l'agitation désordonnée des atomes). La vitesse d'agitation des atomes conduit à modifier la fréquence de transition atomique par effet Doppler. Cet effet peut être résumé de la façon suivante : imaginons que nous voulions mesurer la fréquence d'un signal émis par une source en mouvement (ou, ce qui revient exactement au même, par une source immobile, l'observateur étant en mouvement) et dont la fréquence vaut exactement f₀ ; si la source s'approche de nous, nous mesurerons une fréquence plus élevée que f₀ ; si, au contraire, la source s'éloigne, mous mesurerons une fréquence plus basse que f₀ (cet effet est couramment utilisé pour mesurer des vitesses, en particulier celle des automobilistes ! ). Par conséquent, si, du fait de l'agitation thermique, un atome de césium se déplace dans la cavité de Ramsey, il verra une modification de la fréquence du signal micro-onde injecté dans cette cavité. On parle alors d'un élargissement de la fréquence de transition atomique : si la fréquence micro-onde est très légèrement inférieure à la fréquence de transition, elle interagira avec les atomes s'éloignant de la cavité ; si elle est très légèrement supérieure, elle interagira avec les atomes s'approchant. Le rôle de ``contrôleur de fréquence'' assuré par les atomes est par conséquent moins précis.

L'idéal serait donc d'utiliser des atomes à une température proche du zéro absolu (0 Kelvin = -273°C). Malheureusement, l'intensité du jet d'atomes est directement lié à la température du four les éjectant. Il faut donc refroidir les atomes, après les avoir éjectés du four par chauffage. Le principe utilisé est le refroidissement par irradiation laser. Il est basé sur le fait qu'un atome, lorsqu'il absorbe un photon correspondant à une de ses transitions atomiques, subit une impulsion qui tend à le pousser dans la direction et le sens du photon qu'il vient d'absorber. Imaginons un faisceau laser, horizontal, dont la fréquence est très légèrement inférieure à une fréquence de transition d'un atome. Si un atome, éclairé par le laser, est immobile, il n'interagit pas avec le faisceau et reste donc immobile. Si, par contre, il s'approche de la source laser, il voit la fréquence du faisceau comme étant égale à sa fréquence de transition (encore l'effet Doppler). Il absorbe un photon et subit une impulsion dans le sens opposé à son mouvement : il est donc freiné. En ajoutant un deuxième faisceau laser dans le sens opposé, un autre couple de laser dans la direction horizontale perpendiculaire (un dans un sens, l'autre dans le sens opposé), et enfin, un dernier couple de laser dans la direction verticale, on réalise une ``mélasse optique'' et l'atome est freiné quels que soient la direction et le sens de sa vitesse. De plus, cet effet se conjugue avec un autre effet quantique, appelé l'effet Sisyphe, qui a tendance à confiner encore plus les atomes. On arrive par ce procédé à refroidir les atomes à une température de 2 micro-Kelvin (1 K vaut un millionième de degré Kelvin), soit une vitesse moyenne d'agitation de 1,5 cm.s^-1.

Figure 4: la fontaine atomique du BNM-LPTF (1,2 m de haut), à gauche, et son schéma de principe, à droite

L'horloge à fontaine d'atomes de césium refroidis par laser, qui fonctionne au BNM-LPTF de l'observatoire de Paris, utilise cet effet (voir figure 4). Outre le refroidissement des atomes, la principale différence avec une horloge à césium classique réside dans le fait que le jet d'atomes n'est pas continu : on lance une ``boule d'atomes'' refroidis (environ 10 millions d'atomes dans un volume d'un cm³), on attend qu'ils retombent, puis, environ une seconde après, on en lance une suivante, etc.

La stabilité de cette horloge a été évaluée à environ 5.10^-16 sur une journée. Certaines améliorations prévues pourraient même lui permettre de descendre à une valeur de 10^-16 (10 picosecondes par jour). Lorsque plusieurs horloges du même type (une dizaine sont actuellement en cours de réalisation, notamment en France, en Suisse, aux USA, au Japon ...) interviendront dans le calcul du TAI, la stabilité de ce dernier en sera grandement améliorée. Il est aussi à noter qu'une version spatiale d'une horloge à atomes refroidis (PHARAO), à laquelle sera adjoint un maser à hydrogène, devrait prochainement être embarquée à bord de la Station Spatiale Internationale afin de permettre des transferts de temps avec une précision de l'ordre d'une dizaine de picosecondes (projet ACES, Atomic Clock Ensemble in Space).

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lun oct 16 13:56:44 MEST 2000