Des physiciens dévoilent l'horloge la plus précise au monde (et un jumeau pour la comparer)

Les horloges sont l'une des technologies habilitantes du monde moderne. Sans horloges très précises, le système de positionnement global ne fonctionnerait pas correctement, et il ne serait pas non plus possible de synchroniser des réseaux sur de vastes distances. Et les physiciens s'appuient sur des horloges pour tester les lois fondamentales de l'univers à des niveaux toujours plus profonds.

Avoir des horloges plus précises et fiables est donc un objectif important.

Aujourd'hui, Andrew Ludlow du National Institute of Standards and Technology de Boulder et quelques amis dévoilent les deux horloges les plus précises jamais construites. Ils disent que leurs nouvelles horloges peuvent garder l'heure avec une précision sans précédent d'une partie sur 10-18.

Ludlow et ses collègues mettent cela en perspective : une mesure au niveau fractionnaire de 1018 équivaut à spécifier l'âge de l'univers connu avec une précision de moins d'une seconde ou le diamètre de la Terre à moins de la largeur d'un atome.

Leur horloge est une bête simple, du moins en principe. L'idée de base est qu'une seconde peut être définie par la fréquence de la lumière émise par un atome lorsque les électrons de l'état fondamental sautent vers un autre état.

La difficulté est de mesurer cette fréquence avec précision. C'est parce que tout petit mouvement de l'atome génère un effet Doppler qui décale la fréquence. De plus, les champs électriques parasites peuvent décaler ces transitions électroniques, modifiant leur fréquence, un phénomène connu sous le nom de décalage Stark. Surmonter ces petites sources d'erreur est le défi majeur dans la construction d'horloges précises.

Ludlow et ses amis l'ont fait en utilisant une technologie connue sous le nom d'horloge à réseau optique. Dans cette approche, ils font rebondir un laser sur un miroir pour créer une onde stationnaire de lumière qui forme un réseau pour piéger les atomes. C'est une sorte de boîte à œufs dans laquelle les atomes sont assis.

Ils remplissent ensuite cette boîte à œufs d'atomes d'ytterbium et les zappent avec un autre laser pour voir la fréquence à laquelle se produit la transition électronique.

La boîte à œufs est importante car elle maintient les atomes dans un étau qui minimise les effets Doppler.

Cependant, les champs électriques associés à la lumière génèrent un décalage Stark. L'équipe a contourné ce problème en choisissant une transition dite magique dans l'ytterbium dans laquelle les deux états électroniques sont décalés de la même quantité, laissant la fréquence de transition inchangée.

Et parce que la boîte à œufs peut être remplie de nombreux atomes, Ludlow et co-peuvent effectuer leurs mesures en utilisant de nombreux atomes afin d'obtenir un signal plus clair.

Le résultat est une horloge qui ne perd qu'un tick sur 1018 tocs.

Bien sûr, il n'y a aucun moyen de mesurer la précision d'une seule horloge, c'est pourquoi ces gars-là en ont deux.

Les nouvelles horloges permettent immédiatement un certain nombre d'applications nouvelles et importantes. Ces horloges sont si sensibles qu'elles peuvent facilement mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel, dans lequel les horloges tournent plus lentement dans des champs gravitationnels plus puissants. En d'autres termes, ils peuvent détecter les changements de hauteur.

Les meilleures horloges d'aujourd'hui sont sensibles à des changements de plusieurs mètres ou kilomètres. La nouvelle horloge devrait être capable de discerner des changements d'environ 1 cm à la surface de la Terre. Ce sera pour des applications telles que l'hydrologie, la géologie et la mesure des changements de la banquise dans les études sur le changement climatique.

Les physiciens pourraient également tester si des choses comme le décalage gravitationnel vers le rouge et la constante de structure fine changent avec la position, des tests fondamentaux importants de la physique.

L'amélioration des horloges est un processus continu que l'humanité a entrepris depuis plusieurs milliers d'années. Ces derniers garde-temps sont l'aboutissement impressionnant de tout ce travail et pourtant ils sont voués à s'éclipser dans un avenir pas trop lointain.

En effet, Ludlow et ses collègues soulignent diverses améliorations qu'ils ont dû apporter dans un proche avenir pour rendre leur horloge encore meilleure. Et quand ils le feront, les prochaines horloges seront encore meilleures. Telle est la nature de la technologie.

Réf : http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Une horloge atomique avec une instabilité 10-18

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