25 Janvier 1955 – Des scientifiques de l’Université de Columbia développent une horloge atomique

Comment fonctionnent les horloges atomiques ? Des scientifiques de l’Université de Columbia développent une horloge atomique précise à moins d’une seconde en 300 ansSaviez-vous que les horloges perdent du temps au fil des ans Pour être plus précis, en 1945, Isidor Rabi, professeur de physique à l’université de Columbia, proposa la construction de la première horloge atomique. Dix ans plus tard, Louis Essen et Jack Parry ont conçu et construit la première horloge atomique de césium au monde au National Physical Laboratory en Angleterre. Cela a transformé la façon dont nous mesurons et utilisons le temps : l’horloge ne perd qu’environ une seconde en 300 ans. Une horloge atomique suit un oscillateur électrique réglé par les fréquences de vibration naturelles d’un système atomique. Dans le cas d’un faisceau d’atomes de césium comme celui utilisé dans l’horloge d’origine, l’horloger peut calculer le nombre exact de cycles de rayonnement d’un atome de césium par seconde : 9,192, Aujourd’hui, plusieurs pays ont des réseaux d’horloges atomiques qui sont maintenus synchronisés pour maintenir une échelle de tempsDes scientifiques de l’Université de Columbia développent une horloge atomique précise à moins d’une seconde en 300 ansPendant la majeure partie de l’histoire humaine, la mesure précise du temps n’était pas importante. Nos ancêtres chasseurs-cueilleurs ou agriculteurs se levaient au lever du soleil et s’endormaient au coucher du soleil. Connaître l’heure approximative de la journée serait parfois nécessaire, mais pas au niveau des secondes – ce phénomène existe encore sur de nombreux campus universitaires. Tout cela a changé avec l’avènement de l’ère technologique, lorsque la transmission de la radio et de la télévision a entraîné le besoin d’horloges toujours plus précises.

Ce jour-là, le 25 janvier 1955, les recherches de l’Université de Columbia sur la mesure du temps à l’aide des vibrations de l’atome de césium, menées en grande partie par le scientifique Isidor Isaac Rabi, ont fait une percée. Columbia a annoncé le développement d’une horloge à base de césium capable d’enregistrer avec précision le temps à la seconde près, ne prenant qu’une seconde de retard tous les 300 ans. Cette même année, un modèle de travail a été construit pour le National Physical Laboratory de Teddington, en Angleterre.

Les horloges atomiques modernes, comme la norme américaine NIST-F1, sont capables de donner l’heure précise à la seconde près pendant 100 millions d’années. En fait, la stabilité des horloges atomiques a conduit à la redéfinition académique du temps. Une seconde est maintenant mesurée non pas par la rotation de la terre, comme c’était le cas, mais par la quantité de certaines réactions d’un atome de césium. Vous pourriez demander, pourquoi est-ce important ? Considérez le système GPS : il traduit le temps nécessaire aux signaux radio de votre appareil pour atteindre les satellites en orbite en coordonnées spatiales et temporelles. Si l’horloge de l’un de ces satellites était légèrement décalée, votre position serait lue de manière incorrecte.

Comment fonctionnent les horloges atomiques ?Lorsque le courant est coupé puis rétabli, comment savez-vous à quelle heure régler vos horloges ? Vous êtes-vous déjà demandé comment le temps est réglementé ? Aux États-Unis, la norme de temps est réglementée par l’US Naval Observatory’s Master Clock (USNO), la source officielle de temps pour le ministère de la Défense. Les effets de ces mécanismes sont ressentis par nous tous sous la forme de réveils, d’ordinateurs, de répondeurs et d’horaires de réunion. Dans cette édition de HowStuffWorks, nous apprendrons tout sur les horloges atomiques et comment elles font tourner le monde !

Les horloges atomiques sont-elles radioactives ? Les horloges atomiques gardent l’heure mieux que n’importe quelle autre horloge. Ils gardent même le temps mieux que la rotation de la Terre et le mouvement des étoiles. Sans horloges atomiques, la navigation GPS serait impossible, Internet ne se synchroniserait pas et la position des planètes ne serait pas connue avec suffisamment de précision pour lancer et surveiller des sondes spatiales et des atterrisseurs. Les horloges atomiques ne sont pas radioactives. Ils ne dépendent pas de la désintégration atomique. Au contraire, ils ont une masse oscillante et un ressort, tout comme les horloges ordinaires.  La grande différence entre une horloge standard dans votre maison et une horloge atomique est que l’oscillation dans une horloge atomique se situe entre le noyau d’un atome et les électrons environnants. Cette oscillation n’est pas exactement parallèle au balancier et au spiral d’une montre à mouvement d’horlogerie, mais le fait est que les deux utilisent des oscillations pour suivre le temps qui passe. Les fréquences d’oscillation à l’intérieur de l’atome sont déterminées par la masse du noyau et le « ressort » gravitationnel et électrostatique entre la charge positive du noyau et le nuage d’électrons qui l’entoure.

Quels sont les types d’horloges atomiques ?

Aujourd’hui, bien qu’il existe différents types d’horloges atomiques, le principe qui les sous-tend reste le même. La principale différence est liée à l’élément utilisé et aux moyens de détection lorsque le niveau d’énergie change. Les différents types d’horloges atomiques comprennent :

Les horloges atomiques au césium utilisent un faisceau d’atomes de césium. L’horloge sépare les atomes de césium de différents niveaux d’énergie par champ magnétique.

Les horloges atomiques à hydrogène maintiennent les atomes d’hydrogène au niveau d’énergie requis dans un récipient dont les parois sont faites d’un matériau spécial afin que les atomes ne perdent pas trop rapidement leur état d’énergie supérieur.Les horloges atomiques au rubidium, les plus simples et les plus compactes de toutes, utilisent une cellule en verre de gaz rubidium qui modifie son absorption de la lumière à la fréquence optique du rubidium lorsque la fréquence micro-onde environnante est juste.

Les horloges atomiques les plus précises disponibles aujourd’hui utilisent l’atome de césium et les champs et détecteurs magnétiques normaux. De plus, les atomes de césium sont empêchés de se déplacer d’avant en arrière par des faisceaux laser, ce qui réduit les petits changements de fréquence dus à l’effet Doppler.

Comment fonctionne une horloge atomique au césium pratique ? Les atomes ont des fréquences d’oscillation caractéristiques. La fréquence la plus familière est peut-être la lueur orange du sodium dans le sel de table s’il est saupoudré sur une flamme. Un atome aura de nombreuses fréquences, certaines à la longueur d’onde radio, d’autres dans le spectre visible et d’autres entre les deux. Le césium 133 est l’élément le plus couramment choisi pour les horloges atomiques. Pour transformer la résonance atomique du césium en horloge atomique, il est nécessaire de mesurer avec précision l’une de ses fréquences de transition ou de résonance. Cela se fait normalement en verrouillant un oscillateur à cristal sur la résonance micro-onde principale de l’atome de césium. Ce signal se trouve dans la gamme des micro-ondes du spectre radio et se trouve être au même type de fréquence que les signaux satellites de diffusion directe. Les ingénieurs comprennent de manière très détaillée comment construire des équipements dans cette zone du spectre.

Pour créer une horloge, le césium est d’abord chauffé afin que les atomes s’évaporent et passent dans un tube maintenu sous vide poussé. Ils traversent d’abord un champ magnétique qui sélectionne les atomes du bon état énergétique ; puis ils traversent un champ de micro-ondes intense. La fréquence de l’énergie micro-onde balaye d’avant en arrière dans une gamme étroite de fréquences, de sorte qu’à un moment donné de chaque cycle, elle croise la fréquence d’exactement 9 192 631 770 Hertz (Hz, ou cycles par seconde). La gamme du générateur de micro-ondes est déjà proche de cette fréquence exacte, car elle provient d’un oscillateur à cristal précis. Lorsqu’un atome de césium reçoit de l’énergie micro-onde exactement à la bonne fréquence, il change d’état énergétique.  A l’extrémité du tube, un autre champ magnétique sépare les atomes qui ont changé d’état énergétique si le champ micro-onde était exactement à la bonne fréquence. Un détecteur à l’extrémité du tube donne une sortie proportionnelle au nombre d’atomes de césium qui le frappent, et donc des pics de sortie lorsque la fréquence micro-onde est exactement correcte. Ce pic est ensuite utilisé pour effectuer la légère correction nécessaire pour amener l’oscillateur à cristal et donc le champ hyperfréquence exactement sur la fréquence. Cette fréquence verrouillée est ensuite divisée par 9 192 631 770 pour donner l’impulsion familière par seconde requise par le monde réel.

Quelques définitions  Horloge atomique – Une horloge de précision qui dépend pour son fonctionnement d’un oscillateur électrique régulé par les fréquences de vibration naturelles d’un système atomique (comme un faisceau d’atomes de césium)

Atome – La plus petite particule d’un élément qui peut exister seul ou en combinaison ; l’atome est considéré comme une source d’énergie potentielle immense Césium 133 – Un isotope du césium utilisé notamment dans les horloges atomiques et dont l’une des transitions atomiques est utilisée comme étalon de temps scientifique

SI Seconde (seconde atomique) – L’intervalle de temps nécessaire pour effectuer 9 192 631 770 oscillations de l’atome de césium 133 exposé à une excitation appropriée

Quand l’horloge atomique a-t-elle été inventée ? En 1945, Isidor Rabi, professeur de physique à l’Université de Columbia, a suggéré 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. En 1949, le National Bureau of Standards (NBS, aujourd’hui National Institute of Standards and Technology, NIST) a annoncé la première horloge atomique au monde utilisant la molécule d’ammoniac comme source de vibrations, et en 1952, il a annoncé la première horloge atomique utilisant des atomes de césium comme source de vibrations, NBS-1.

En 1955, le National Physical Laboratory d’Angleterre a construit la première horloge à faisceau de césium utilisée comme source d’étalonnage. Au cours de la décennie suivante, des formes plus avancées d’horloges ont été créées. En 1967, la 13e Conférence générale des poids et mesures définit la seconde du SI sur la base des vibrations de l’atome de césium ; le système mondial de chronométrage n’avait plus de base astronomique à ce moment-là ! NBS-4, l’horloge au césium la plus stable au monde, a été achevée en 1968 et a été utilisée dans les années 1990 dans le cadre du système horaire NIST.  En 1999, le NIST-F1 a commencé à fonctionner avec une incertitude de 1,7 parties en 10 à la puissance 15, ou une précision d’environ une seconde en 20 millions d’années, ce qui en fait l’horloge la plus précise jamais réalisée (une distinction partagée avec une norme similaire à Paris ).

Comment mesure-t-on le temps atomique ? La fréquence correcte pour la résonance particulière du césium est maintenant définie par un accord international comme 9 192 631 770 Hz de sorte que lorsqu’elle est divisée par ce nombre, la sortie est exactement de 1 Hz, ou 1 cycle par seconde. La précision à long terme pouvant être atteinte par les horloges atomiques au césium modernes (le type le plus courant) est meilleure qu’une seconde par million d’années. Les horloges atomiques à hydrogène montrent une meilleure précision à court terme (une semaine), environ 10 fois la précision des horloges atomiques au césium. Par conséquent, les horloges atomiques ont augmenté la précision de la mesure du temps d’environ un million de fois par rapport aux mesures effectuées au moyen de techniques astronomiques.

La National Company du Massachusetts a produit les premières horloges atomiques commerciales utilisant du césium. Aujourd’hui, ils sont produits par divers fabricants, dont Hewlett Packard, Frequency Electronics et FTS. La nouvelle technologie continue d’améliorer les performances. Les horloges atomiques au césium de laboratoire les plus précises sont des milliers de fois meilleures que les unités produites dans le commerce.

Une brève histoire des horloges atomiques au NIST

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 ).

Histoire des horloges atomiquesL’histoire des normes atomiques et moléculaires de temps et de fréquence est retracée depuis les premiers travaux sur les techniques de résonance de faisceaux moléculaires et atomiques jusqu’aux développements plus récents qui promettent des normes améliorées à l’avenir. Les différents dispositifs actuellement utilisés comme étalons sont discutés en détail dans une perspective historique. La dernière partie de l’article est consacrée à une discussion des développements prospectifs qui promettent des améliorations majeures en termes de précision, de stabilité et de reproductibilité.En discutant de l’histoire des normes atomiques et moléculaires de temps et de fréquence, deux approches alternatives sont disponibles. L’une consiste à traiter tous les appareils en parallèle sur une base annuelle. L’autre consiste à discuter successivement de chaque dispositif alternatif. Il est clair que cette dernière approche est la plus adaptée et sera suivie ici, mais des renvois fréquents seront faits à d’autres dispositifs. En suivant cette procédure, il est clair que la première technique discutée devrait être la méthode de résonance magnétique par faisceau moléculaire et atomique ; historiquement, c’était la première méthode et elle reste l’une des normes de temps les plus efficaces.

https://www.facebook.com/iaeaorg/posts/did-you-know-clocks-lose-time-over-the-years-to-get-more-precise-in-1945-isidor-/10154140510412062/

http://www.famousdaily.com/history/columbia-university-scientists-develop-an-atomic-clock-accurate-to-within-one-second-in-300-years.html

https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist

https://science.howstuffworks.com/atomic-clock.htm