Depuis de nombreuses années, la course à la mesure du temps mobilise de nombreux chercheurs autour du globe. Cette course s'est accélérée au cours des 50 dernières années. Jusqu'à 1955, la mesure du temps était fondée sur le mouvement de la terre. En 1955, le "National Physical Laboratory" (NPL) britannique a fait fonctionner la première horloge atomique au cesium.

Le principe de cette horloge repose sur la détection et la mesure de l'absorption de micro-ondes par des atomes de cesium 133. Ainsi, depuis 1967 et la 13eme Conférence Générale sur les Poids et Mesures, "la seconde est la durée de 9.192.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de cesium 133".

En juillet 2001, une équipe américaine du "National Institute of Standards and Technology" (le NIST) annonçait une percée importante : la mise au point d'une horloge prototype fondée sur la fréquence optique d'un ion mercure refroidi. Cette horloge, qui opère à des fréquences bien plus élevées qu'une horloge atomique, était la source de plus de 1015 "tics" par seconde. Cette plus grande fréquence permet alors une description beaucoup plus fine du temps puisque les périodes de temps considérées sont plus courtes.

Une équipe du NPL travaillait pendant ce temps à une technique similaire mais utilisant des ions strontium. Le strontium a été choisi en raison de la disponibilité des lasers nécessaires à son refroidissement et à l'excitation de la transition d'horloge. Les resultats de ces chercheurs ont ete publiés dans le numéro du 19 novembre de la revue Science. Leur experience consiste à stabiliser la frequence optique puis à la mesurer. Un ion strontium est d'abord piegé et isolé sous vide dans un piège à ions. Cette particule est ensuite refroidie à une température proche du zéro absolu (quelques mK) grâce à un faisceau laser émettant dans le bleu (longeur d'onde 422 nm).

L'impact, l'absorption et la réémission de chacun des photons de ce faisceau entrainent un léger recul de l'ion qui perd à chaque fois un peu d'énergie (les chercheurs ont également eu recours à un laser de longueur d'onde 1092 nm afin d'éviter un pompage optique dans un état métastable). Un laser monochromatique émettant dans le rouge (longueur d'onde 674 nm) est alors dirigé vers l'ion refroidi : la fréquence optique de ce laser est verrouillée à la transition d'"horloge" de l'ion strontium.

Cette transition de référence est la transition quadrupole électrique 5s 2S1/2-4d 2D5/2 qui donne lieu a une ligne spectrale extrêmement nette à 674 nm. Une fois que le laser est verrouillé à cette fréquence, il devient très stable. La lumière transite alors par fibre optique vers un laboratoire proche ou sa fréquence exacte est mesurée grâce à un peigne de fréquences optiques (de très courtes impulsions de lumière laser femtoseconde qui couvrent tout le spectre optique du bleu à l'infrarouge). Chaque dent du peigne est référencée par rapport à une horloge au cesium. Selon l'équipe britannique, cette horloge est trois fois plus précise que celle présentée par l'équipe du NIST. Son incertitude relative de 3,4™10-15 est inférieure d'un facteur 3 au standard cesium du NPL (en tenant compte des erreurs statistiques et systématiques).

Selon les chercheurs, outres les incertitudes liées au standard cesium, les sources principales d'incertitude sont de nature technique et peuvent être réduites en raffinant le dispositif experimental. Ils projettent en particulier de travailler sur la réduction de la largeur de raie du laser utilisé pour sonder la transition. La construction d'un second piège ionique est également en cours ce qui devrait permettre aux chercheurs d'évaluer la reproductibilité de la technique en comparant les deux standards.

En tenant compte de ces améliorations potentielles, les scientifiques estiment que la mesure de fréquence ne sera plus limitée que par la précision de l'horloge cesium. Selon eux, la mesure de fréquence fondée sur l'ion strontium ou sur d'autres standards de fréquence optique pourrait présenter un intérêt pour une possible redéfinition de la seconde. Mais, la mesure sur plusieurs années de cette fréquence pourrait participer à un test en laboratoire de plus en plus précis de l'invariance temporelle des constantes fondamentales.

Plus prosaiquement, une définition plus précise de la seconde devrait améliorer les services de navigation par satellite, comme le GPS ou Galileo. De même, une horloge d'une grande précision s'averera plus que nécessaire pour synchroniser les équipements de navigation d'un vaisseau spatial envoyé à des millions de kilomètres de la terre, vers une partie inconnue de l'univers.

Source
Science, vol. 306, 19/11/04, http://www.sciencemag.org ; NPL, http://www.npl.co.uk/optical_frequency_standards/ticking_faster.html ; Optics.org, 24/11/04, http://www.optics.org/articles/news/10/11/17/1.
Rédacteur : Anne Prost