Quel phénomène explique que les horloges atomiques soient plus précises que les horloges mécaniques ?

Les horloges atomiques doivent leur remarquable régularité à la résonance atomique. Elles n’utilisent pas principalement le mouvement d’un balancier ou d’un ressort pour mesurer le temps, mais une transition entre deux états d’énergie d’atomes. Cette transition correspond à une fréquence déterminée par les lois de la physique quantique, ce qui fournit une référence beaucoup plus stable et reproductible qu’une oscillation mécanique.

Une fréquence propre aux atomes

Un atome ne peut occuper que certains niveaux d’énergie. Lorsqu’un rayonnement électromagnétique possède une fréquence correspondant exactement à l’écart entre deux de ces niveaux, l’atome peut absorber ce rayonnement : c’est la résonance. La fréquence associée à cette transition est caractéristique de l’atome et de la transition choisie. Elle ne dépend donc pas de la fabrication d’une pièce mécanique ou de ses dimensions. Les horloges atomiques détectent cette résonance pour disposer d’un signal de référence extrêmement régulier.

Le rôle de l’asservissement

Une horloge atomique contient néanmoins un oscillateur qui produit une fréquence, par exemple dans le domaine des micro-ondes ou de la lumière. Cette fréquence est comparée à la transition atomique. Lorsqu’elle s’en écarte, la réponse des atomes change ; un dispositif électronique corrige alors l’oscillateur afin de le maintenir au plus près de la fréquence de résonance. L’horloge ne compte donc pas simplement les émissions spontanées des atomes : elle exploite leur réponse très sélective pour régler en permanence son oscillateur.

La définition de la seconde

Le césium 133 fournit l’exemple classique de cette méthode. Sa transition hyperfine de référence correspond à 9 192 631 770 périodes du rayonnement associé à une seconde. Cette valeur définit la seconde dans le Système international depuis 1967. Les horloges atomiques utilisant d’autres atomes, notamment dans des horloges optiques, reposent sur le même principe général : mesurer une transition atomique dont la fréquence est suffisamment stable et reproductible.

Une référence moins sensible aux dérèglements mécaniques

Dans une horloge mécanique, la période dépend de caractéristiques susceptibles de varier : longueur d’un pendule, élasticité d’un ressort, température, frottements, usure ou perturbations du support. Ces changements modifient progressivement la fréquence de l’oscillation. La fréquence d’une transition atomique peut elle aussi être légèrement influencée par l’environnement, notamment par des champs ou des collisions, mais ces effets peuvent être réduits, contrôlés et corrigés. C’est cette combinaison entre une résonance quantique intrinsèque et des techniques de mesure et de stabilisation qui rend les horloges atomiques plus précises que les horloges mécaniques.