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La norme primaire de Temps et de fréquence pour les États-Unis

NIST-F1, la norme primaire de temps et de fréquence du pays, est une horloge atomique à fontaine de césium développée aux laboratoires du NIST à Boulder, Colorado. Le NIST-F1 contribue au groupe international d’horloges atomiques qui définissent le Temps Universel Coordonné (UTC), l’heure mondiale officielle. Parce que le NIST-F1 est l’une des horloges les plus précises au monde, il rend UTC plus précis que jamais.

L’incertitude du NIST-F1 s’améliore continuellement. En 2000, l’incertitude était d’environ 1 x 10-15, mais à partir de janvier 2013, l’incertitude a été réduite à environ 3 x 10-16, ce qui signifie qu’elle ne gagnerait ni ne perdrait une seconde en plus de 100 millions d’années! Le graphique ci-dessous montre comment NIST-F1 se compare aux horloges atomiques précédentes construites par le NIST. Elle est maintenant environ dix fois plus précise que NIST-7, une horloge atomique à faisceau de césium qui a servi de norme de temps et de fréquence principale aux États-Unis de 1993 à 1999.

Description technique

Le NIST-F1 est appelé horloge de fontaine car il utilise un mouvement d’atomes semblable à une fontaine pour mesurer la fréquence et l’intervalle de temps. Tout d’abord, un gaz d’atomes de césium est introduit dans la chambre à vide de l’horloge. Six faisceaux laser infrarouges sont alors dirigés perpendiculairement les uns aux autres au centre de la chambre. Les lasers poussent doucement les atomes de césium ensemble en une boule. Dans le processus de création de cette boule, les lasers ralentissent le mouvement des atomes et les refroidissent à des températures proches du zéro absolu.

Deux lasers verticaux sont utilisés pour lancer doucement la balle vers le haut (l’action « fontaine »), puis tous les lasers sont éteints. Cette petite poussée est juste suffisante pour faire passer la balle d’environ un mètre de haut à travers une cavité remplie de micro-ondes. Sous l’influence de la gravité, la balle retombe ensuite à travers la cavité du micro-ondes.

L’aller-retour à travers la cavité du micro-ondes dure environ 1 seconde. Pendant le trajet, les états atomiques des atomes pourraient ou non être modifiés lorsqu’ils interagissent avec le signal hyperfréquence. Lorsque leur voyage est terminé, un autre laser est pointé sur les atomes. Les atomes dont l’état atomique a été modifié par le signal hyperfréquence émettent de la lumière (un état connu sous le nom de fluorescence). Les photons, ou les petits paquets de lumière qu’ils émettent, sont mesurés par un détecteur.

Ce processus est répété plusieurs fois pendant que le signal hyperfréquence dans la cavité est accordé à différentes fréquences. Finalement, on trouve une fréquence hyperfréquence qui modifie les états de la plupart des atomes de césium et maximise leur fluorescence. Cette fréquence est la fréquence de résonance naturelle de l’atome de césium (9 192 631 770 Hz), ou la fréquence utilisée pour définir la seconde.

La combinaison du refroidissement par laser et de la conception de la fontaine permet au NIST-F1 d’observer les atomes de césium pendant de plus longues périodes et d’atteindre ainsi une précision sans précédent. Les horloges au césium traditionnelles mesurent des atomes à température ambiante se déplaçant à plusieurs centaines de mètres par seconde. Comme les atomes se déplacent si vite, le temps d’observation est limité à quelques millisecondes. Le NIST-F1 utilise une approche différente. Le refroidissement au laser fait chuter la température des atomes à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu et réduit leur vitesse thermique à quelques centimètres par seconde. Les atomes refroidis par laser sont lancés verticalement et passent deux fois à travers une cavité micro-ondes, une fois en montée et une fois en descente. Le résultat est un temps d’observation d’environ une seconde, qui n’est limité que par la force de gravité tirant les atomes vers le sol.

Comme vous pouvez le deviner, les temps d’observation plus longs facilitent l’accord de la fréquence hyperfréquence. L’amélioration de l’accord de la fréquence hyperfréquence conduit à une meilleure réalisation et à un meilleur contrôle de la fréquence de résonance du césium. Et bien sûr, le contrôle de fréquence amélioré conduit à ce qui est l’une des horloges les plus précises au monde.