C'est en 1955 que le premier étalon de fréquence fut construit par L. Essen et J. Parry qui travaillaient au National Physical Laboratory de Londres. Ces premiers travaux ouvrirent la voie à une nouvelle définition de la seconde qui vit le jour en 1967 lors de la treizième conférence générale des poids et mesures. La seconde est la durée de 9192631770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l'état fondamental 6S1/2 de l'atome de césium 133. Malgré une complexité apparente au moins aussi grande que celle de la définition de la seconde de temps des éphémérides, cette définition offre l'avantage d'une bien meilleure accessibilité.
La mécanique quantique nous apprend que les atomes peuvent se trouver dans différents états ou niveaux d'énergie qui sont quantifiés. Autrement dit les valeurs de l'énergie des atomes prennent des valeurs discrètes et non continues. Le niveau d'énergie la plus basse sera appelé le niveau fondamental. Le niveau fondamental se décompose lui même en deux niveaux hyperfins notés respectivement F=3 et F=4. On sait également, depuis Max Planck, que pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre, il faut lui apporter une énergie, sous forme de rayonnement électromagnétique, correpondant à la différence d'énergie des deux niveaux considérés. Des mesures réalisées entre 1955 et 1958 ont montré que l'atome de césium 133 pouvait passer du niveau hyperfin noté F=3 au niveau hyperfin noté F=4 lorsqu'il était soumis à un rayonnement micro-onde de fréquence 9192631770 Hz. C'est cette valeur qui est à la base de la définition de la seconde atomique. Un appareil électronique, un compteur de cycle, va donc compter 9192631770 cycles pendant une durée d'une seconde. L'appareil qui réalise ainsi la définition de la seconde atomique s'appelle un étalon primaire de fréquence. Il en existe actuellement différent types : les étalons primaires de fréquence à déflexion magnétique, à pompage optique et les fontaines atomiques. L'appareil qui compte les secondes et qui les accumule au cours du temps est une horloge atomique.
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Les fontaines atomiques sont les derniers développements de la technique des étalons de fréquence. Ils utilisent la technique du refroidissement des atomes qui a valu son prix Nobel à C. Cohen-Tannoudji en 1997. En effet, et quel que soit l'étalon considéré, le nombre d'atomes qui subit l'interaction micro-onde est d'autant mieux déterminé que la durée d'interaction de ces derniers dans la cavité est plus important. Afin d'augmenter ce temps d'interaction les atomes sont piégés, confinés, dans six faisceaux lasers concourants afin de réduire le plus possible leur vitesse d'agitation thermique. La physique statistique nous enseigne en effet que la température d'un gaz est proportionnelle à la vitesse d'agitation des particules qui le compose. Si la vitesse est très faible la température correspondante sera très basse d'où le nom de la technique utilisée. Une fois les atomes confinés, ils vont être lancés en direction de la cavité micro-onde, comme dans les étalons classiques, à la seule différence que la cavité est cette fois verticale. La verticalité de la cavité s'impose à cause de la faible vitesse des atomes qui, s'ils effectuaient un vol balistique horizontal, "tomberaient vers le bas". Pour des raisons techniques (homogénéïté du champ magnétique...) la cavité micro-onde n'est pas réalisée en un seul morceau de longueur D à l'intérieur duquel aurait lieu, de façon continue, l'interaction. Dans le cas des étalons à déflexion ou à pompage une cavité dite de Ramsey est utilisée dans laquelle l'interaction a lieu en chacune de ses extrémités qui sont séparées par une distance D. Dans le cas de la fontaine atomique la cavité est encore un peu différente : il n'y a qu'une seule zone dans laquelle l'interaction micro-onde a lieu, mais deux fois de suite, une fois lorsque les atomes vont vers le haut et une fois lorsqu'ils vont vers le bas. La préparation et la détection des atomes de césium se fait comme dans le cas d'un étalon à pompage optique classique. La meilleure fontaine atomique actuellement en fonctionnement dans le monde, FO1, se trouve au Laboratoire primaire du temps et des fréquences, labaratoire du Bureau national de métrologie à l'observatoire de Paris.
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BNM/LPTF
Les horloges atomiques à césium sont des étalons primaires de fréquence très particuliers. Ils génèrent la seconde du système international comme dans le cas d'un étalon classique mais les accumulent également de façon à produire des minutes et des heures. La finalité de ces instruments est différente de celle des étalons. Alors que ces derniers doivent avoir une très bonne exactitude, une différence la plus faible possible entre la définition de la seconde du SI et la seconde réalisée par l'instrument, les horloges doivent avoir une excellente stabilité à long terme c'est à dire que les variations de la seconde produite doivent être les plus faibles possibles autour d'une valeur moyenne (qui n'est pas forcément très proche de la seconde du SI). Les principales horloges atomiques commerciales à césium sont du premier type étudié : ce sont des instruments à déflexion magnétique. D'autres horloges atomiques existent qui n'utilisent pas l'atome de césium. Il existe des horloges à rubidium, des horloges à quartz, des masers à hydrogène... C'est ce dernier type d'horloge, avec les horloges à césium, qui est le plus utilisé dans le calcul du temps atomique international. La 14ème Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a décidé que le Temps atomique international est la coordonnée de repérage temporel établie sur la base des indications d'horloges atomiques fonctionnant dans divers établissements conformément à la définition de la seconde, unité de temps du Système international d'unités. C'est actuellement le Bureau international des poids et mesures qui est en charge du calcul du TAI. Cet organisme collecte les données d'environ 500 horloges (en 2016) réparties dans plus de 70 laboratoires. Le calcul du TAI est effectué à l'aide d'un algorithme, ALGOS, qui effectue une moyenne pondérée des lectures des horloges, la finalité étant d'obtenir une très bonne stabilité à long terme. L'exactitude de l'échelle de temps est assurée par des comparaisons régulières entre son intervalle unitaire et l'intervalle unitaire obtenu par les différents étalons primaires de fréquence répartis dans le monde. Ce mode de calcul permet d'obtenir une autre des propriétés attendues des échelles de temps : la pérennité. Une horloge qui cesse de fonctionner peut très facilement être remplacée par une autre sans que le comportement global du TAI en soit affecté. Actuellement l'instabilité du TAI est estimée à environ 4.10-15 à 10 jours, 4,3.10-15 à 40 jours, 4,5.10-15 à 160 jours et 10-14 au delà de 3 ans. Ces estimations sont effectuées à l'aide d'un estimateur statistique dénommé variance de Allan.
Il existe de nombreux organismes dans le monde qui possèdent des horloges atomiques ou des étalons primaires de fréquence. Bien sûr chacun de ces organismes souhaite comparer ses propres instruments à ceux des autres, à des fins d'évaluation et d'amélioration de leurs qualités métrologiques, ou simplement pour participer au calcul du temps atomique international, TAI . La méthode la plus classique pour comparer des horloges distantes consiste à employer les satellites du Global Positioning System, GPS.
Le GPS est un système militaire de radio-navigation constitué d'un ensemble de satellites en orbite à 20000 km autour de la Terre. Chaque station équipée d'une des horloges à comparer reçoit les signaux d'un satellite du GPS. Les temps d'arrivée des signaux sont datés grâce à l'horloge de la station réceptrice alors que les temps d'émission de ces signaux par un satellite quelconque sont datés dans l'échelle de temps de l'horloge embarquée par ce satellite. Un algorithme permet de faire la correspondance entre l'échelle de temps du satellite et le temps du GPS. En faisant une simple différence des observations effectuées aux mêmes instants dans les deux stations le temps du GPS disparaît et il est ainsi possible d'obtenir la différence de lecture des horloges des deux stations.
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Toutes les études entreprises en métrologie du temps ont bien sûr des applications. Dans le domaine de la recherche fondamentale on peut citer les tentatives de raccordement des unités du SI à la définition de la seconde car c'est l'unité qu'on sait, de loin, le mieux réaliser (incertitude relative de l'ordre de 10-15). Certaines constantes de la physique peuvent être déterminées par la seule mesure de la fréquence de phénomènes physiques, on peut alors obtenir leur valeur avec une très faible incertitude : la constante de Rydberg, le facteur de Landé de l'électron et la constante de structure fine en sont quelques exemples. La métrologie du temps a également un impact sur la physique atomique par le biais de la vérification de la linéarité de la mécanique quantique (équation de Schrödinger) et par sa contribution à la connaissance de certaines propriétés atomiques et moléculaires. La mesure du temps intervient également dans les tests des modèles de structure de l'espace-temps et de la gravitation par l'utilisation directe ou indirecte des étalons atomiques de temps. La finalité de ces tests est la discrimination des différentes théories de la gravitation, la relativité générale d'Einstein n'étant qu'une théorie parmi d'autres. La métrologie du temps trouve aussi sa place dans bon nombre d'applications de positionnement, de géodésie ou de navigation : le système GPS en est un exemple, le GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) ainsi que les systèmes DORIS (Détermination d'Orbite et Radio-positionnement Intégrés par Satellites) et PRARE (Precise Range Rate Equipment) en sont d'autres. La technique de radio-interférométrie à très longue base dite VLBI (Very Long Baseline Interferometry) trouve des applications dans l'étude de la rotation de la Terre et dans la formation des systèmes de référence céleste et terrestre.
Les mesures VLBI font appel à la stabilité de fréquence des masers à hydrogène présents dans les stations d'observation : c'est le domaine de la métrologie du temps. Les pulsars millisecondes sont des objets dont l'observation a démontré que leur stabilité de fréquence pouvait peut-être rivaliser avec la stabilité des meilleures échelles de temps atomique (TAI, TT(BIPM),...). Des études de très longue haleine sont en cours pour connaître la réponse à cette question. La métrologie du temps est doublement présente dans ces recherches. Premièrement parce que les temps d'arrivée des impulsions radio émises par ces astres sont datés par rapport à une horloge atomique présente dans la station d'observation. Deuxièmement parce qu'il faut raccorder cette horloge aux meilleures échelles de temps atomique à des fins de comparaison.