L'Horloge Atomique

Qu’est-ce qu’une horloge à césium ?

Les Horloges atomiques à Cesium 133 permettent d’obtenir l’heure exacte, avec une marge d’erreur inférieure à la seconde sur trois millions d’années.

Leur fonctionnement est basé sur un oscillateur à quartz, étalonné par les atomes de Cesium, dont la différence d’énergie entre chaque niveau atomique, permet de vérifier que les vibrations du quartz sont régulières.

 

On divise le fonctionnement de l’horloge en quatre étapes:

  • La sélection des atomes
  • La période de transition
  • Le comptage des atomes
  • L’ajustement de la fréquence

La sélection des atomes:

Les atomes existent sous différents niveaux d’énergie, tel que leur état fondamental ou ionisé.

Pour changer de niveau d’énergie, passer du niveau E1 au E2, l’atome doit libérer un photon possédant une quantité d’énergie hv. Pour passer du niveau E2 à E1, l’atome doit recevoir un électron d’énergie égal à hv . Cette énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique que transporte le photon. La transition d’un niveau d’énergie à un autre dépend de la fréquence de l’onde électromagnétique, et réciproquement, la fréquence de l’onde électromagnétique émise dépend du niveau d’énergie de la transition.

Pour effectuer cette transition, les atomes de cesium 133 sont placés dans un four à 90°, et sont envoyés vers l’entrée de la cavités de Ramsey. Seuls les atomes possédant un certain niveau d’énergie peuvent entrer dans la cavité. On note ce niveau d’énergie A.

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Le tri des atomes peut se faire de deux façons, par déflexion magnétique ou par pompage optique.

La séparation magnétique fait dévier les atomes ayant un « moment magnétique » différent de celui que l’on veut. Donc les atomes d’état A passeront dans la cavité, et les atomes d’autres états (B) seront envoyés ailleurs.

Pour le pompage optique, on fait passer les atomes de l’état B à un état C, instable, en les exposant à un rayonnement optique. Les atomes étant instables à l’état C vont passer à l’état A et rentrer dans la cavité.

L’horloge de Francfort utilise la séparation magnétique.

La période de transition

Un oscillateur à quartz génère une onde ayant pour fréquence 10 Mhz. La fréquence est multipliée par un dispositif électronique, qui la fait passer à une fréquence d’environ 9 192 631 770 hz, soit environ 9,2 Mhz. Cette onde électromagnétique est envoyée dans la cavité de Ramsey, et grâce à sa géométrie particulière, la cavité va entretenir cette onde. À cette fréquence, les atomes de cesium 133 vont subir un changement d’état, qui va les faire passer de l’état A à l’état B.

 

Le comptage des atomes

A la sortie de la cavité, les atomes sont encore une fois séparés en deux groupes, les atomes d’état A d’un coté et d’état B de l’autre. Comme pour l’entrée de la cavité, il existe les deux mêmes façons de trier les atomes : la séparation magnétique, similaire à la précédente, et la séparation par pompage optique. Contrairement à l’entrée de la cavité, ici, la méthode par pompage optique est la plus avantageuse.

La séparation magnétique présente ici un inconvénient. Les atomes d’état B sont dirigés de la même façon que l’étaient ceux de l’état A, vers un détecteur à fil chaud, à 1000C°, où les atomes s’ionisent. On obtient un faisceau d’ions Cs⁺, qui va traverser un spectromètre de masse, et être transformé en courant électrique de 10nA.

La séparation par pompage optique fonctionne grâce à la lumière qu’émet la transition d’état de l’atome dans la cavité. Un photodétecteur reproduit ces variations lumineuses sous forme de courant électrique similaire à celui produit par la séparation magnétique.

L’avantage de la séparation par pompage optique est qu’on n’a pas besoin de chauffer un fil à 1000C°.

L’ajustement de la fréquence

Le but de l’horloge atomique étant d’obtenir l’heure la plus exacte possible, une boucle d’asservissement est mise en place à la fin du système. Elle permet de réguler la fréquence. Cette boucle se présente sous la forme d’un circuit électronique, qui modifie la fréquence du champ, de manière à ce qu’elle soit la plus proche possible de 9 192 631 770 Hz.

La fréquence sort stabilisée, un diviseur de fréquence engendre des impulsions périodiques, et un compteur d’impulsions donne des signaux horaires.