Les horloges atomiques se préparent pour le terrain et pour l'espace

Au centre de toute horloge se trouve un phénomène d'oscillation qui se produit à intervalles très réguliers, qu'il s'agisse d'un pendule basculant ou d'oscillations par tension d'un cristal de quartz. Les pièces mécaniques et électromécaniques ont toutefois tendance à être sensibles aux changements de température et au vieillissement, malgré des conceptions ingénieuses. En outre, le besoin croissant de plus de précision a entraîné l'apparition d'oscillateurs avec de plus hautes fréquences.

Les horloges atomiques optiques utilisent la fréquence des transitions d'électrons d'une orbite atomique à une autre. Ils représentent une étape révolutionnaire dans les normes du temps, étape permise grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la technologie laser et de l'optique quantique. Elles utilisent des fréquences d'oscillation optiques ultra élevées. Les horloges atomiques optiques remplaceront donc les horloges au Cesium (Cs), qui 'font tic-tac' à la fréquence microonde, environ 10 milliards de fois par seconde.

Dans les horloges atomiques à réseau optique, les atomes froids sont attirés dans une onde laser sous la forme d'une onde stationnaire (réseau optique). Des milliers d'atomes sont confinés ici simultanément. En réglant la lumière laser de réseau sur une longueur d'onde soigneusement déterminée, ses effets sur les transitions des électrons peuvent être minimisés. Les horloges atomiques optiques sont donc capables d'une précision et d'une stabilité inégalées.

Grâce au financement de l'UE du projet SOC2, une équipe de chercheurs développe et exploite des composants et sous-systèmes critiques requis pour des horloges à réseau optiques à atome neutre ultra-précises adaptées pour le transport et pour une utilisation dans l'espace. Les chercheurs travaillent avec des atomes d'ytterbium (Yb) et de strontium (Sr).

Les scientifiques du projet SOC2 ont développé les sous-systèmes laser nécessaires et les ont intégrés avec des sous-systèmes atomiques pour le strontium et l'ytterbium dans des systèmes d'horloges complets. Par exemple, pour l'horloge basée Sr, ils ont recherché des sous-systèmes de stabilisation des fréquences solides et compacts basés sur des cavités optiques, un ralentisseur d'atome à aimant permanent et une chambre d'atome très compacte. Leur système compact et à faible consommation produit des atomes Sr ultra-froids.

Pour l'horloge basée Yb, les scientifiques ont développé des lasers à diode à cavité externe avec des filtres d'interférence à bande étroite qui garantissent une meilleure stabilité par rapport aux lasers stabilisés par grille généralement utilisés. Le premier prototype de l'appareil modulaire est totalement opérationnel. Il fonctionne automatiquement et de manière très stable pour plusieurs heures d'utilisation continue. Il a récemment été transporté avec succès de l'Universität Düsseldorf jusqu'à l'institut de métrologie italien de Turin pour une caractérisation détaillée.

Les horloges atomiques optiques SOC2, une fois finalisées, constitueront des maquettes de démonstration pour les futures horloges à utiliser dans les expériences spatiales, en particulier pour effectuer un essai plus précis d'un aspect fondamental de la théorie de la relativité d'Einstein, la dilatation du temps. Une horloge spatiale serait également utile pour donner des fréquences ultra-stables sur Terre.