Vers des horloges atomiques à l'incertitude d’une seconde sur... 30 milliards d'années

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Par Thierry Lucas - Publié le 22 août 2013, à 20h00

Deux équipes de chercheurs, une française et une américaine, ont publié cet été des résultats qui annoncent de nouvelles générations d’horloges atomiques, plus précises et plus stables. Les meilleures horloges actuelles ont une incertitude d’une seconde sur... 300 millions d’années. Mais les chercheurs savent qu’ils peuvent faire bien mieux.

Qui a besoin de connaître l’heure avec une telle précision ? Réponse : les réseaux de télécommunications, pour se synchroniser, et le système de géolocalisation GPS, entre autres. Les horloges atomiques, nées dans les années 1960, sont devenues des produits que l’on peut acheter dans le commerce. Mais les plus précises, les "fontaines de césium", restent des instruments de laboratoire, dont l’incertitude est limitée à 1 seconde sur 10¹⁶  (soit 1 seconde sur 300 millions d’années). Il en existe une dizaine dans le monde, dont trois à l’Observatoire de Paris, où l’équipe de chercheurs Syrte (Systèmes de référence temps-espace) travaille sur la prochaine génération d’horloge atomique, qui d’ici 5 à 10 ans devrait afficher l’heure avec une précision cent fois meilleure.
L’équipe Syrte a publié cet été, dans la revue Nature Communications, des travaux qui valident le principe des horloges de nouvelle génération. Et c’est une équipe américaine du Nist (National Institute of Standards and Technology) qui publie ce jeudi 22 août, dans Science, un résultat record : une horloge au moins cent fois plus stables que les horloges actuelles. La stabilité, autre paramètre clé, caractérise la régularité des "battements" de l’horloge.
Les deux équipes développent des horloges dites "optiques". En effet, une horloge atomique est fondée sur la fréquence de la radiation correspondant à la transition entre deux niveaux de l’état électronique d’un atome. Dans les horloges actuelles, au césium, cette fréquence est dans le domaine des micro-ondes ; dans les nouvelles horloges, fondées sur d’autres atomes, la transition met en jeu une radiation du domaine optique, dont la fréquence est 100000 fois plus élevée. "Avec les horloges au césium, on arrive au maximum de l’exactitude possible avec cette technologie. Les horloges optiques, en revanche, ont un fort potentiel d’accroissement de leur exactitude", souligne Jérôme Lodewyck, chercheur au Syrte.
Nouvelle définition de la seconde
Les chercheurs de l’Observatoire de Paris, qui travaillent sur des horloges optiques au strontium, en ont fabriqué deux de manière à les comparer. Ils ont aussi pu comparer la marche de ces horloges au strontium avec celles des horloges au césium de l’Observatoire. L’équipe du Nist, de son côté, a réalisé une horloge à l’ytterbium, dont la stabilité record est très prometteuse pour l’avenir des horloges optiques. "D’autres équipes travaillent sur des horloges optiques fondées, non sur des atomes, mais sur des ions", précise Jérôme Lodewyck.
Quand les nouvelles horloges auront été pleinement validées (des problèmes technologiques restent à résoudre), se posera la question d’une nouvelle définition de la seconde au niveau international, définition aujourd’hui fondée sur le césium. "Quand on a choisi l’horloge au césium, c’était le meilleur candidat, et le choix n’a pas posé de problème. La différence entre les différentes technologies d’horloges optiques ne sera sans doute pas si nette, ce qui veut dire qu’il y aura des négociations au niveau international, et un choix qui sera plus politique...",  fait remarquer Jérôme Lodewyck.
Entre-temps d’autres technologies émergentes auront peut-être progressé, comme les horloges nucléaires, qui veulent utiliser des transitions à l’intérieur du noyau des atomes (et non plus des transitions des électrons), impliquant des fréquences encore plus élevées.
Thierry Lucas