Voir la source de Horloge atomique

{{Confusion|Horloge nucléaire}}{{Infobox Objet
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[[Fichier:HP 5061A Cesium beam frequency standard.jpg|vignette|Horloge atomique commerciale à [[césium]] ayant servi à réaliser le temps légal français dans les années 1980 et comme référence pour l'horloge parlante.]]
[[Fichier:Cesium clock.JPG|vignette|Horloge atomique à césium, vue interne.]]
Une '''horloge atomique''' est une [[horloge]] qui utilise la pérennité et l'immuabilité de la [[fréquence]] du [[rayonnement électromagnétique]] émis par un [[électron]] lors du passage d'un [[niveau d'énergie]] à un autre pour assurer l'exactitude et la stabilité du signal oscillant qu'elle produit. Un de ses principaux usages est le maintien du [[temps atomique international]] (TAI) et la distribution du [[temps universel coordonné]] (UTC) qui sont les échelles de temps de référence.

==Histoire==

L'horloge atomique est apparue au vingtième siècle.

Dès 1949, le premier prototype est développé par le [[National Institute of Standards and Technology]] aux États-Unis<ref name="NISTshistorymeasuring">{{lien web|langue=en|url=https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-time-and-frequency-division-history|titre=NIST Time and Frequency Division History|éditeur=National Institute of Standards and Technology}}.</ref>, il utilise la molécule d'[[ammoniac]].

En 1955, les physiciens [[Louis Essen]] et [[Jack Parry]], avec le [[National Physical Laboratory]] (NPL), prototypent une horloge atomique à une fréquence de 9 192 631 830 ± 10 cycles par [[Seconde (temps)|seconde]] soit une erreur de l’ordre de 1s sur 30 ans.

En 1958, des horloges atomiques au césium commerciales sont disponibles coûtant {{unité|20000|dollars}}.

En 1967, la [[Seconde (temps)|seconde]], [[Unités de base du Système international|unité]] du [[Système international d'unités|Système international]], est définie lors de la {{13e}} [[Conférence générale des poids et mesures]] selon les vibrations de l'atome de césium<ref name="NISTsAtomicClocks">{{lien web|langue=en|url=http://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm|titre=A Brief History of Atomic Clocks at NIST|éditeur=National Institute of Standards and Technology|consulté le=12 juillet 2015}}.</ref> : {{citation bloc|La seconde est la durée exacte de 9 192 631 770 oscillations (ou périodes) de la transition entre les niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de {{exp|133}}Cs (atome au repos T{{=}}0K). |CGPM}}

Aujourd'hui, les horloges atomiques ont été transformées en horloges optiques et sont suffisamment précises pour que la mesure du temps soit influencée par une variation d'altitude de 30 centimètres de par l'effet gravitationnel dit de la théorie de la relativité générale<ref>{{lien web |titre=L’horloge atomique  - UFR DE PHYSIQUE<!-- Vérifiez ce titre --> |url=http://physique.sorbonne-universite.fr/fr/recherche/l-horloge-atomique.html |site=sorbonne-universite.fr |consulté le=24-10-2021}}.</ref>. De ce fait, le césium peut ne plus constituer une référence suffisamment précise.

== Les types d'horloges atomiques ==
Les horloges atomiques<ref>{{Article|langue=Français|titre=Comment fonctionne une horloge atomique|périodique=Blog|date=26/01/2022|lire en ligne=https://petitreveil.fr/blogs/reveil/comment-fonctionne-une-horloge-atomique?}}</ref> se déclinent en différents types, mais leur principe de fonctionnement reste fondamentalement le même. La différence réside surtout dans le choix de l'élément utilisé et dans les méthodes employées pour détecter les variations de niveau d'énergie.

Les horloges atomiques les plus courantes sont '''les horloges atomiques au césium''', '''à l'hydrogène''' et '''au rubidium'''.

Les horloges atomiques au césium fonctionnent en faisant passer un faisceau d'atomes de césium à travers un champ magnétique qui sépare les atomes selon leurs niveaux d'énergie.

Les horloges atomiques à hydrogène maintiennent les atomes d'hydrogène à un niveau d'énergie constant à l'aide d'un récipient spécial en vue d'éviter toute perte trop rapide de leur état d'énergie supérieur.

Les horloges atomiques au rubidium sont les plus simples et compactes de toutes, elles utilisent une cellule en verre de rubidium gazeux qui change son absorption de la lumière à la fréquence optique du rubidium lorsque la fréquence des micro-ondes environnantes est adéquate.

Les horloges atomiques les plus précises actuellement disponibles utilisent l'atome de césium avec des champs magnétiques et des détecteurs standards. Par ailleurs, l'utilisation de faisceaux laser permet de limiter les variations de fréquence dues à l'effet Doppler, en empêchant les atomes de césium de se déplacer dans tous les sens.

== Principe de fonctionnement ==
=== Exemple de l'horloge atomique à jet de césium 133 ===
Le principe général est de synchroniser en permanence, par une [[Asservissement (automatique)|boucle d'asservissement]], un [[Quartz (électronique)#Oscillateur à quartz|oscillateur à quartz]] avec un jet permanent d'atomes de [[Isotopes_du_c%C3%A9sium#C%C3%A9sium_133|cesium 133]], refroidis pour permettre leur mesure. L'asservissement se fait en maximisant le nombre d'atomes dans un état excité, qui possèdent une certaine énergie ''E''{{Ind|2}}. Cette maximisation, mesurée dans une [[cavité micro-ondes]], témoigne que l'oscillateur est le plus proche possible de la [[Structure hyperfine|fréquence de la transition hyperfine]] de l'[[état fondamental]] de l'atome de césium 133 non perturbé, égale à {{unité|9192631770|Hertz}}, qui est la définition officielle de la [[seconde (temps)|seconde]]. En effet, les électrons des atomes ne changent de niveau d'énergie que si l'énergie a une valeur très précise, [[Relation de Planck-Einstein|directement liée à la fréquence]]<ref name="cnrs">{{Lien Web|url=http://perso.utinam.cnrs.fr/~vernotte/node6.html|titre=L'Horloge Atomique à Jet de Césium|site=Site CNRS de François Vernotte}}</ref>.

==== Fonctionnement détaillé<ref name="cnrs"/> ====
[[Fichier:Atomic clocks.jpg|vignette|L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium {{lien|NIST-F1}}. Cette horloge est l'étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis, avec une incertitude de {{nombre|5.10|e=-16}} (en 2005).]]

Un système physique, ici une enceinte chauffée contenant du [[césium]], permet de créer un jet d'atomes.

Dans ce jet, seuls les atomes correspondant à l'état d'énergie initiale désiré, ici ''E''{{Ind|1}}, sont conservés (la sélection se faisant par [[déflexion]] grâce à un champ magnétique).

Un oscillateur à quartz (produisant un signal à {{unité/2|10|MHz}}) est multiplié afin de piloter un générateur [[micro-onde]]s à une fréquence ''ν''′ (voisine de ''ν''). Ce signal est ensuite injecté dans une cavité résonante dite de Ramsey.

Le jet d'atomes dans l'état ''E''{{Ind|1}} passe dans la cavité de Ramsey : plus la fréquence ''ν''′ sera proche de ''ν'', plus grand sera le nombre d'atomes qui, par absorption de l'onde, subiront la transition vers l'état ''E''{{Ind|2}}.

À la sortie, le jet atomique subit une seconde déflexion magnétique qui sépare les atomes dans l'état ''E''{{Ind|2}} de ceux dans l'état ''E''{{Ind|1}}.

Un détecteur, placé dans la trajectoire des atomes dans l'état ''E''{{Ind|2}}, produit un signal proportionnel au nombre de ces atomes. Plus ''ν''′ est proche de ''ν'', plus le nombre d'atomes ''E''{{Ind|2}} compté en sortie est grand.

Un système d'asservissement ajuste en permanence la fréquence de l'oscillateur à quartz pour maximiser le nombre d'atomes dans l'état ''E''{{Ind|2}}, et donc conserver la fréquence de l'oscillateur proche de la fréquence optimale. La fréquence de l'oscillateur est ainsi asservie à la fréquence de la transition atomique.

Dans le cas du césium, la fréquence ''ν'' est de {{unité/2|9192631770|Hz}}. Cette valeur est exacte puisque c'est celle utilisée pour définir tout à la fois la seconde et son inverse le [[hertz]].

Le comptage du temps est ensuite assuré par une division des oscillations de l'oscillateur à quartz, associé à un [[circuit électronique]] affichant par exemple l'heure comme dans une [[montre à quartz]].

Les oscillations peuvent aussi être utilisées directement pour piloter des dispositifs ou équipements nécessitant une fréquence de fonctionnement stable.

==== Performances ====
Pour un type d'atome donné, la précision de l'horloge dépend du temps passé par les atomes dans la cavité micro-onde. Le temps est d'autant plus grand que les atomes sont refroidis (un atome à température ambiante a une vitesse de {{unité|300|m/s}}) et de la grandeur de la cavité<ref name="bro">{{Bibliographie|Q121365779}}
. Chapitre 2 "Quelle heure est-il ?"</ref>. La précision peut être aussi améliorée en prenant un type d'atome ayant une fréquence de résonance plus élevée, ce qui est le cas pour des horloges au mercure ou [[strontium]] (voir [[#Horloge atomique aux fréquences optiques]]).

Les meilleures horloges au césium (en 2013) parviennent à une stabilité de l'ordre de {{Unité|1|e=-14|s.s|-1}}, et atteignent {{Unité|2|e=-16|s.s|-1}} après plusieurs jours de fonctionnement<ref name="HorlAtomLaser">{{article|url=http://www.larecherche.fr/6-les-horloges-atomiques-montent-en-fr%C3%A9quence|titre=Les horloges atomiques montent en fréquence|périodique=[[La Recherche (magazine)|La Recherche]]|numéro=483|date=janvier 2014|auteur1=Antoine Cappelle|pages=50}}.</ref>.

Ceci signifie que l'horloge dérive de {{Unité|2|e=-16}} seconde en une seconde, ce qui est souvent vulgarisé en donnant le nombre d'années nécessaire pour qu'une horloge dérive d'une seconde complète, dans ce cas une seconde en 160 millions d'années.

=== Horloge atomique aux fréquences optiques ===
Les recherches récentes pour améliorer la précision des horloges atomiques se sont portées sur d'autres atomes ([[calcium]], [[ytterbium]], [[strontium]], [[mercure (chimie)|mercure]], [[aluminium]]) piégés dans des [[Treillis lase|treillis optiques]] dont les transitions énergétiques s'effectuent à des fréquences optiques (d'un ordre de grandeur {{unité|100000|fois}} supérieur à celle de la transition de l'atome de césium; le BIPM a fixé la transition du strontium à 429 228 004 229 873.2 Hz en {{date-|octobre 2015}}).
En 2018, le JILA a construit des horloges manipulant les atomes avec des lasers dépassant la précision des meilleures horloges au césium : une précision de {{Unité|2,5|e=-19|s||s|-1}} a été atteinte par une horloge utilisant un treillis tridimensionnel d'atomes de strontium<ref>{{Article|langue=en|auteur1=G. Edward Marti; Ross B. Hutson; Akihisa Goban; Sara L. Campbell; Nicola Poli; [[Jun Ye]]|titre=Imaging Optical Frequencies with 100  μHz Precision and 1.1  μm Resolution|périodique=Physical Review Letters|date=5 March 2018|issn=|lire en ligne=arXiv:1711.08540|pages=120 (10): 1–6}}</ref>, soit une seconde sur la durée de l'âge de l'univers : {{unité|13|milliards d'années}}<ref name="bro"/>.

=== Introduction aux processus de transitions entre niveaux atomiques ===
==== Processus énergétiques atomiques ====

La stabilité des [[Raie spectrale|raies spectrales]] atomiques avait déjà été remarquée par [[William Thomson (Lord Kelvin)|Lord Kelvin]] en 1879<ref>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Thomson, William; Tait, Peter Guthrie|titre=Treatise on Natural Philosophy|passage=p. 227|lieu=Cambridge, England|éditeur=Cambridge University Press|date=1879|pages totales=|isbn=|lire en ligne=}}</ref>.

Un [[atome]] passe d'un [[Excitation (physique)|état excité]] d'énergie ''E''{{Ind|2}} à un état plus stable d'énergie inférieure ''E''{{Ind|1}} par l'''[[émission spontanée]]'' d'un [[photon]] de [[fréquence]] :

: <math>\nu = \frac{E_2 - E_1}{h} = \frac{\Delta E}{h},</math>
où <math>h</math> est la [[constante de Planck]].

À l'inverse, un atome dans un état plus stable d'énergie ''E''{{Ind|1}} passera à un état excité d'énergie supérieure ''E''{{Ind|2}} par l'''[[Absorption (optique)|absorption]]'' d'un photon de fréquence <math>\nu</math> dont la valeur est donnée par la même équation que ci-dessus.

On connaît aussi le principe d'[[émission stimulée]] consistant pour un atome à passer d'un état d'énergie excité vers un état plus stable après la rencontre d'un autre photon. L'énergie de l'atome sera alors dissipée par l'émission d'un autre photon qui possédera les mêmes caractéristiques que le photon initiateur.

Il existe également une probabilité non nulle pour qu'un atome se trouvant dans un état excité redescende dans un état plus stable et plus faible par un processus de ''désexcitation non radiative'', c'est-à-dire sans émettre de photon. Le système devant alors satisfaire à la relation de [[conservation de l'énergie]], il en résultera soit un échauffement de l'atome, soit un transfert de [[quantité de mouvement]].

Ces processus atomiques élémentaires, dont la théorie a été développée en grande partie par [[Albert Einstein]], vont être à la base de toute l'interaction permettant d'élaborer un étalon atomique de mesure du temps.

==== Notion de structure fine et hyperfine ====
{{Loupe|Structure hyperfine}}
L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un [[spectre d'émission]] ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition de plusieurs composantes au sein d'une même raie.

Une raie principale est donnée par le [[nombre quantique]] principal ''n'' caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va donner une série de sous-niveaux quantiques correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les diverses interactions physiques au sein de l'atome (interaction spin–orbite, effets de volume, effets relativistes{{etc.}}). Ces sous-niveaux sont en fait la cause de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On parle alors de ''structure fine'' : cette observation nécessite en effet une [[spectroscopie]] de plus grande précision, les écarts en énergie étant de l'ordre de 1000 fois plus faibles que les écarts entre niveaux principaux.

Enfin, d'autres effets peuvent intervenir encore plus faiblement : interaction du spin du noyau et de l'électron, effets d'[[électrodynamique quantique]]... Une mesure encore plus poussée révèle alors l'existence d'une structure ''hyperfine'' des niveaux d'énergie.

== Applications ==
=== Temps atomique international ===
Le [[temps atomique international]] est la référence mondiale fondée sur la définition de la [[Seconde (temps)|seconde atomique]], calculée au [[Bureau international des poids et mesures]] à [[Sèvres]], en faisant la moyenne d'environ {{nobr|500 horloges}} atomiques (en 2016) réparties dans plus de 70 laboratoires dans le monde<ref>{{Chapitre |langue=en |titre chapitre=Establishment of International Atomic Timeand of Coordinated Universal Time |titre ouvrage=BIPM Annual Report on Time Activities |éditeur=[[Bureau international des poids et mesures]] |date=2016 |page début chapitre=19 |url=http://www.bipm.org/utils/en/pdf/time_ann_rep/Time_annual_report_2013/7_establishment_TAI-UTC_TAR13.pdf |format=pdf }}.</ref>. Ces horloges de référence sont majoritairement du type atomique au [[césium]], d'autres fonctionnant au [[rubidium]] ou avec un [[maser]] à hydrogène<ref>{{Chapitre |langue=en |titre chapitre=Table 4. Equipment and source of UTC(k) of the laboratories contributing to TAI in 2016 |titre ouvrage=BIPM Annual Report on Time Activities |éditeur=[[Bureau international des poids et mesures]] |année=2016 |url=https://www.bipm.org/utils/en/pdf/time_ann_rep/Time_annual_report_2016/12_Table4_TAR16.pdf |format=pdf |page début chapitre=27}}.</ref>.

En [[France]], le temps légal est généré par le [[Laboratoire national de métrologie et d'essais]] - Système de références temps–espace (LNE-SYRTE) situé à l'[[Observatoire de Paris]]. Il repose sur les lectures d'une centaine d'instruments dont en particulier six horloges au [[césium]] et quatre [[maser]]s actifs à hydrogène<ref>{{lien web |url=https://syrte.obspm.fr/spip/services/ref-temps/ |titre=Références Nationales de Temps |éditeur=SYRTE}}.</ref>.

=== GPS ===

Les horloges atomiques sont également employées dans les [[Système de positionnement par satellites|systèmes de positionnement par satellites]]. Ainsi, les [[Satellite artificiel|satellites]] des [[Constellation de satellites|constellations]] du [[Global Positioning System|GPS]], du système [[GLONASS]] ou ceux du programme [[Galileo (système de positionnement)|Galileo]] embarquent chacun plusieurs horloges atomiques, jusqu'à quatre pour les satellites GPS.

Les deux satellites [[GIOVE (satellite)|GIOVE]] de test du système Galileo, lancés en 2005 et 2008<ref>{{Article |langue=fr+en |auteur1=Philip Tuckey |titre=Galileo : l’espace au service du citoyen européen |périodique=Le Magazine de l'Observatoire de Paris |numéro=10 |titre numéro=Spécial spatial |éditeur=[[Observatoire de Paris]] |date=06/2008 |lire en ligne=https://www.obspm.fr/IMG/pdf/mag10.pdf |consulté le=06/04/2020 |format=pdf |pages=15}}.</ref>, emportaient l'un une horloge au rubidium, l'autre un maser à hydrogène supplémentaire, en faisant la référence temporelle la plus stable jamais envoyée en orbite et le satellite de navigation le plus performant du monde<ref>Frédéric Guérin, « GIOVE-B prévu pour le 27 avril », ''[[Air et Cosmos]]'', {{Numéro avec majuscule|2116}}, 14 mars 2008.</ref>.

=== Télécommunications ===

Les horloges atomiques sont aussi utilisées dans les réseaux de [[télécommunications]] pour fournir un signal de référence aux [[Oscillateur électronique|oscillateurs internes]] des équipements, afin d'assurer une qualité de transmission des services en accord avec les [[Union internationale des télécommunications|normes internationales]]. On utilise soit les signaux directement produits par des horloges atomiques soit les signaux élaborés à partir des émissions des satellites de la constellation GPS qui ont la stabilité des horloges atomiques embarquées.

=== Mesure du champ gravitationnel ===

La précision des horloges atomiques au rubidium ou au mercure devient telle que les [[Dilatation_du_temps#En_relativit%C3%A9_g%C3%A9n%C3%A9rale|effets sur le temps de la gravitation terrestre]] devient mesurable avec ces horloges, même pour de petites variations. Il devient ainsi possible de mesurer la gravitation à l'aide d'horloges<ref name="bro"/>.

Notamment, la forme du [[géoïde|géoïde terrestre]], qui est la [[Surface (géométrie)|surface]] [[équipotentielle]] de référence du [[Champ (physique)|champ]] de [[pesanteur]] [[Terre|terrestre]], peut être précisée. Ce géoïde est d'une importance cruciale pour nombre d'applications, et notamment la prévision et le contrôle de la trajectoire des fusées ou celles des satellites<ref name="bro"/>. 

Elles peuvent aussi devenir un instrument scientifique pour mesurer le champ gravitationnel des autres planètes, et donc leur composition interne.

== Références ==
{{références}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[DCF77]]
* [[Horloge nucléaire]]
* [[Chronométrie]]

=== Liens externes ===
* [http://harold.marion.free.fr/fontaine_atomique1.htm Introduction et fonctionnement des fontaines atomiques]
* [http://horlogeatomiquetpe.e-monsite.com/pages/le-fonctionnement-de-l-horloge-atomique.html Historique et fonctionnement des horloges atomiques]

{{Palette|Instruments de mesure|Éphéméride}}

{{Portail|physique|Horlogerie|temps}}

[[Catégorie:Horloge|Atomique]]
[[Catégorie:Physique atomique]]
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