La mesure du temps est basée sur l'observation d'un phénomène ayant un mouvement uniforme. Il y a longtemps, la seconde était définie par rapport aux mouvements des planètes qui paraissaient uniformes. En s'apercevant de la nature chaotique des orbitales planétaires,la seconde a été défini par la fréquence de transition atomique du cesium 133. 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 Césium 133. Aujourd'hui, on construit des horloges avec une précision relative de 10^-15, soit une erreur de 1 seconde tous les 50 millions d' années. Mais, quel est l'intérêt de mesurer le temps avec une telle précision. Dans la vie de tous les jours, pour un cuisinier, une secrétaire ou un avocat, cela ne sert à rie, mais le temps est à la base de toute science. En effet, la seconde permet de définir le mètre comme la distance parcourue par la lumiere dans le vide pendant 1/299792658 seconde. Une telle précison de mesure vérifie également certains modèles physiques comme la relativité restreinte. Le GPS est un exemple beaucoup plus concret. Il permet une localisation précise grâce à une synchronisation très fine de plusieurs horloges.

Jusqu' en 1960, la mesure du temps fondée sur la rotation terrestre reposait initialement sur le postulat de reproductibilité, appliqué à la durée moyenne d' un jour, puis à la période de rotation. Ayant reconnu les inégalités de la rotation de la Terre, on a simplement fait une petite correction empirique, à partir de 1955, pour éliminer une fluctuation annuelle. On avait pris conscience que le temps solaire n' était pas une bonne mesure du temps et on cherchait une meilleure horloge que la rotation de la Terre.

Entre 1960 et 1967, pour fonder la définition de la seconde sur la dynamique, il suffit de fixer numériquement la durée d' un phénomène particulier. Le phénomène choisi par l' Union astronomique internationale, en 1952, était l' année sidérale de 1900, durée comptée entre 2 passages du Soleil par l' équinoxe supposée fixe. On supposait que la seconde pouvait être réalisée à 2.10_-9 près, vers 1960, par l' anlyse d' observations astronomiques étendues sur plusieurs années. Cette seconde, dite « seconde des éphémérides », est définie comme un objet unique mais elle est plongée dans le passé, 1900.

Depuis 1967, une définition atomique est donnée pour la seconde. Cette idée de définition ne résulte pas d' un travail d' une seule année; mais, de recherches et de réflexions de plus d' un scientifique sur des dizaines d' années. Dès 1875, Maxwell et Kelvin suggérèrent que la longueur d' onde d'une raie spectrale et que la durée de la période de la radiation correspondante pourraient permettre, respectivement; de définir l'unité de longueur et l'unité de temps. Ces propositions étaient véritablement prophétiques puisque la définition du mètre a été fondée sur la longueur d'une raie spectrale à partir de 1960.

La première horloge atomique fut réalisée en 1948 par Lyons. La référence était une raie d' absorption intense de la molécule d' ammoniac à 24 GHz. La fréquence d' un oscillateur à quartz, dont des impulsions marquant le temps étaient dérivées, était contrôlée par la r ésonnance moléculaire. Cependant, la résonnance était élargie par l' effet Doppler et celui des collisions. La stabilité à long terme n'était pas meilleure que celle des horloges à quartz et cette voie fut abandonnée.

A la fin des années 1930, Rabi et ses élèves discutèrent de la possibilité d' utiliser la méthode de la résonnance magnétique sur un jet atomique pour réaliser une horloge atomique, en y suggérant l'emploi du césium. En 1955, Essen et Parry réalisèrent la première horloge atomique à jet de césium stable et satisfaisante. Cette première horloge n' aurait jamais vu le jour sans la mise point d'une méthode permettant l'amélioration de l' intéraction onde électromagnétique-atomes, par Ramsey en 1950. Zacharias, élève de Rabi, développa des prototypes industriels d' horloges à jet de césium qui furent commercialisés à partir de 1956. Dans la foulée, il proposa un nouveau type d' horloge atomique : la fontaine atomique. Mais, elle ne put être réalisée car des atomes froids étaient nécessaires ( nous parlerons plus tard de l'indispensabilité des atomes froids). En 1967, Les inexactitudes de fréquence des étalons étaientt réduites à 10^-12 et l'on a décidé de ne plus attendre davantages pour donner une définition atomique à l'unité de temps. Ce fut accompli par la 13ème Conférence générale des poids et mesure, en 1967 : « La seconde du système international d'unité 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 césium 133. »

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Le principe d' une horloge atomique est d'asservir un oscillateur à quartz sur la fréquence de transition atomique entre deux niveaux hyperfins du césium.

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Un jet d' atomes de césium est produit par un four chauffée à 100°C contenant quelques grammes de césium 133. Ce jet traverse un premier aimant à champs fort noté A. Les atomes de césium, qui sont dans deux niveaux hyperfins ( F = 3 et F = 4 ), vont être alors déviés de manière différentes par le champ magnétique. Cela s' explique par le fait que les atomes ont des moments magnétiques différents suivant qu' ils sont dans l' état fondamental F = 3 ou dans l' état excité F = 4.

Le jet d' atomes, dans l' état F = 3, est envoyé dans la cavité de Ramsey. Celle-ci est constituée de deux branches produisant un champ micro-onde de fréquence ajustable par l' oscillateur à quartz. Ainsi, les atomes sont soumis à deux champs micro-onde, séparés par une zone sans intéraction (nous verrons juste après l' intérêt d' une telle configuration). Ils vont être alors excité vers le niveau hyperfin F = 4 par ces champs.

A la sortie de la cavité, un second aimant sélecteur B, semblable au premier, va dévier les atomes ayant effectuer la transition hyperfine ( F = 4 ) vers un détecteur à ionisation de surface. Celui-ci est constitué d'un fil métallique. Lorsque le fil est chauffé, à 1000°C environs, un atome de césium incident est alors évaporé sous la forme d'un ion Cs+. On note que dans les horloges à césium de laboratoire, le courant ionique est de l'ordre de 1 à 10 pA et est mesuré directement par un électomètre. Dans les versions industrielles, ce courant est dix fois plus faible en ordre de grandeur. On utilise alors un spectromètre de masse afin d'éliminer les ions parasites émis par le fil chaud. Les ions Cs+ sont envoyés dans une dynode où ils émettent des électrons dont le flux est amplifié dans un multiplicateur d' électrons.

Le signal de sortie du tube à jet de césium est donc un courant électrique. Celui-ci est proportionnel à la probabilité que les atomes aient effectué la transition F=3 --> F=4. La probabilité d' excitation est d'autant plus grande que la fréquence d'excitation est proche de la fréquence de transition. Un système d' asservissement relié à l' oscillateur à quartz va permettre de maximiser le nombre d' atomes excités en ajustant la fréquence de l' oscillateur sur la fréquence de transition atomique. Les oscillations produites par notre oscillateur sont comptées. C' est ce comptage qui va définir la seconde ( 9 192 631 770 périodes = 1 seconde ).

La cavité de Ramsey est un élément essentiel dans toutes les horloges atomiques afin d' avoir une largeur de raie de résonnance assez étroitante. Le pic de résonnance représente le nombre d'atomes ayant subi la transition en fonction de la fréquence :

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La largeur de raie à mi-hauteur est inversement proportionnelle au temps passé par les atomes dans la cavité de l' horloge. Donc, pour avoir une raie de résonnance très étroite, il faut allonger la cavité. Mais, il est difficile de réaliser une longue cavité produisant un champ micro-onde de qualité suffisante.
En 1949, le physicien F. Ramsey découvrit une méthode performante pour réduire la largeur de raie de résonnance qui lui valut le prix nobel en 1989. Plutôt que de faire passer les atomes dans une longue cavité, il revient de les faire traverser deux cavités espacées d'une certaine distance, ce qui importe alors est le temps de vol entre les deux cavités. Pour mieux comprendre, le schéma suivant illustre la méthode classique et la méthode de Ramsey :

En espaçant les cavités de 1 mètre et avec un jet atomique de 300m/s, on obtient une largeur de pic à mi-hauteur de l' ordre de 100 Hz. Dans les horloges de type industriel, la distance entre les deux cavités est de 15-20 cm afin d' être transportable. Le temps de vol des atomes de césium est alors de 800.10^-6 s. Ceci conduit à une largeur de raie de 700 Hz environs. C' est à partir de cette méthode que nous avons pu construire les premières horloges atomiques en 1955.

2-3 Méthode d' asservissement de l' oscillateur à quartz

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Le signal de détection ( pic de résonnance) est échantilloné, démodulé, puis traité afin d' obtenir un signal d'erreur qui va asservir l' oscillateur à quartz. Le signal hyperfin 9,192... Ghz, qui alimente la cavité de Ramsey, est générée par synthèse de fréquence à partir de l' oscillateur dont la fréquence est souvent égale à 10 MHz.

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