Une brève histoire des horloges atomiques au NIST
La première horloge à faisceau atomique
Les progrès remarquables de l’électronique et de la technologie des micro-ondes réalisés pendant la Seconde Guerre mondiale ont stimulé les physiciens qui y avaient travaillé à imaginer de nouvelles applications après la guerre pour les conditions de temps de paix. Un exemple remarquable est l’étalon de fréquence à faisceau de césium, l’un des nombreux types « d’horloge atomique » développés dans les années d’après-guerre. 
Il s’agit de l’instrument expérimental construit sous la supervision de Jerrold Zacharias au Massachusetts Institute of Technology en 1954. Il a montré que le principe du faisceau atomique était réalisable en tant que technique de chronométrage extrêmement précis, et a immédiatement ouvert la voie à une version commerciale étroitement calquée sur ce.
L’idée sur laquelle il s’appuyait était connue depuis deux décennies. Le physicien américain II Rabi l’avait appliquée à la fin des années 1930 à des mesures précises des moments magnétiques et des « spins » des noyaux de divers types d’atomes. Rabi savait que les atomes se comportent comme de minuscules aimants : un faisceau d’entre eux, voyageant dans le vide, peut être légèrement dévié en traversant un champ magnétique non uniforme. 
En 1953, Zacharias, qui, en tant qu’étudiant diplômé, avait collaboré aux expériences d’avant-guerre de Rabi, a commencé un travail vigoureux pour faire fonctionner un tel appareil à faisceau atomique comme une horloge. L’été suivant, lui et son étudiant RD Haun, assistés du chercheur invité JG Yates, ont réussi à faire en sorte que les vibrations atomiques d’un faisceau de césium contrôlent un oscillateur à cristal, dont la fréquence est alors devenue aussi précise que celle des atomes de césium. Cette fréquence d’oscillateur pourrait à son tour être utilisée pour un chronométrage beaucoup plus précis que tout ce qui était possible auparavant. 
Le dispositif illustré est la partie du faisceau atomique, le cœur du système, qui était enfermée dans une grande chambre à vide lors de son utilisation. Des atomes de césium ont bouilli hors d’un four près du fond et ont formé un faisceau, qui a traversé un aimant de déviation, puis a traversé un espace dans lequel il a été soumis au champ micro-onde oscillant. Il passa ensuite devant un deuxième aimant de déviation, qui servait à focaliser les atomes, comme dans la méthode de Rabi, sur un détecteur. Cela déterminait tout écart par rapport à la résonance et envoyait un signal aux circuits qui ajustaient la fréquence micro-onde en conséquence. 
L’appareil de Zacharias est remarquable pour avoir été conçu comme un prototype d’instrument destiné à être vendu dans le commerce. Contrairement à l’appareil à faisceau atomique horizontal traditionnel, celui-ci se tenait verticalement de manière compacte. Il utilisait des aimants permanents plutôt que des électroaimants ; avait des connexions pratiques pour la pompe à vide, l’électronique et les micro-ondes ; et disposait d’un four conçu pour fonctionner longtemps sans s’arrêter. Zacharias a persuadé la National Company, un fabricant d’équipements radio à Malden, Massachusetts, de se charger de développer une version commerciale sous sa supervision. Après avoir surmonté de nombreuses difficultés, ils ont commencé à livrer le « Atomichron » à l’automne 1956, principalement aux laboratoires militaires. Malgré son coût élevé, 50 000 $, il s’est bien vendu à ces laboratoires, et le Signal Corps a déclaré qu’il » 
Une brève histoire des horloges atomiques
1945 — Isidor Rabi, professeur de physique à l’Université de Columbia, suggère qu’une horloge pourrait être fabriquée à partir d’une technique qu’il a développée dans les années 1930 appelée résonance magnétique par faisceau atomique. 
1949 — Utilisant la technique de Rabi, le NIST (alors National Bureau of Standards) annonce la première horloge atomique au monde utilisant la molécule d’ammoniac comme source de vibrations.
1952 — Le NIST réalise la première mesure précise de la fréquence de résonance de l’horloge au césium. L’appareil pour cette mesure est nommé NBS-1. 
1954 — NBS-1 est transféré dans les nouveaux laboratoires du NIST à Boulder, Colorado.
1955 –Le National Physical Laboratory en Angleterre construit la première horloge à faisceau de césium utilisée comme source d’étalonnage.
1956 — Des horloges commerciales au césium deviennent disponibles, coûtant 20 000 $ chacune. 
1959 — NBS-1 entre en service régulier en tant qu’étalon de fréquence principal du NIST.
1960 — NBS-2 est inauguré à Boulder ; il peut fonctionner pendant de longues périodes sans surveillance et est utilisé pour étalonner des étalons secondaires.
1963 — La recherche d’une horloge avec une précision et une stabilité améliorées aboutit à NBS-3. 
1967 — La 13e Conférence générale des poids et mesures définit la seconde sur la base des vibrations de l’atome de césium ; le système mondial de chronométrage n’a plus de base astronomique.
1968 — NBS-4, l’horloge au césium la plus stable au monde, est achevée. Cette horloge a été utilisée dans les années 1990 dans le cadre du système horaire NIST.
1972 — NBS-5, un dispositif avancé à faisceau de césium, est achevé et sert d’étalon primaire.
1975 — NBS-6 entre en service ; une excroissance de NBS-5, c’est l’une des horloges atomiques les plus précises au monde, ne gagnant ni ne perdant une seconde en 300 000 ans.
1989 — Le prix Nobel de physique est décerné à trois chercheurs — Norman Ramsey de l’Université de Harvard, Hans Dehmelt de l’Université de Washington et Wolfgang Paul de l’Université de Bonn — pour leurs travaux sur le développement des horloges atomiques. Les travaux du NIST sont cités comme faisant progresser leurs recherches antérieures.
1993 — Le NIST-7 est mis en ligne ; finalement, il atteint une incertitude de 5 x 10 **-15, soit 20 fois plus précis que NBS-6.
1999 — NIST-F1 commence à fonctionner avec une incertitude de 1,7 x 10 **-15, soit une précision d’environ une seconde en 20 millions d’années, ce qui en fait l’une des horloges les plus précises jamais réalisées (une distinction partagée avec des normes similaires en France et en Allemagne).
Horloge atomique
En 1956, l’Atomicron, la première horloge atomique aux États-Unis, a été dévoilée à l’Overseas Press Club de New York. La base de la synchronisation était la fréquence constante des oscillations de l’atome de césium – 9 192 631 830 MHz. Il était au prix de 50 000 $. L’Atomicron mesurait 84″ de haut, 22″ de large et 18″ de profondeur.
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist
https://theoracle.glenbrook225.org/news/2015/10/02/old-news-the-first-atomic-clock-vs-ahmeds-clock/
https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_850829