Pourquoi le chronométrage est aujourd’hui sur le point de faire un pas de géant en matière de précision

Vittorio Aita, King’s College London

Le temps est essentiel au fonctionnement de notre vie quotidienne : des montres à nos poignets aux systèmes GPS de nos téléphones. Les systèmes de communication, les réseaux électriques et les transactions financières reposent tous sur un chronométrage précis. Les secondes sont les unités de mesure essentielles du chronométrage.

Il est surprenant de constater que la définition de la seconde fait toujours l’objet d’un débat. Mais les progrès récents des formes de chronométrage les plus précises au monde pourraient bien avoir changé la donne.

La mesure précise du temps a toujours fait partie de l’évolution sociale de l’humanité. Au monument néolithique de Newgrange en Irlande, une ouverture spéciale au-dessus d’une entrée permet à la lumière du soleil d’éclairer le passage et la chambre pendant les jours les plus courts de l’année, autour du 21 décembre, le solstice d’hiver.

Il y a environ 2 300 ans, Aristote affirmait que « la révolution de la sphère extérieure des cieux » devait être la référence pour mesurer le temps. Le philosophe grec pensait que le cosmos était organisé en sphères concentriques, avec la Terre au centre.

Les horloges à eau, apparues vers 2 000 avant J.-C., comptent parmi les plus anciens instruments de mesure du temps. Pour ce faire, elles régulent le flux d’eau entrant ou sortant d’un récipient. L’horloge mécanique s’est ensuite imposée à la fin du 13e siècle.

Jusqu’en 1967, une seconde était définie comme 1/86 400 d’un jour, avec vingt-quatre heures dans un jour, soixante minutes dans une heure et 60 secondes dans une minute (24 x 60 x 60 = 86 400). Le Système international d’unités a ensuite changé les choses et s’est fixé sur cette définition :

La seconde… est définie en prenant la… fréquence de transition de l’atome de césium-133, à savoir 9192631770 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité Hz, qui est égale à s-¹ .

Si vous êtes confus, laissez-moi vous expliquer. L’élément central de cette définition est ce que l’on appelle la fréquence de transition. Une transition se produit lorsque les électrons d’un atome absorbent de l’énergie et passent à un niveau d’énergie supérieur, revenant à un état détendu au bout d’un certain temps. C’est un peu comme boire une tasse de café : on a soudain plus d’énergie, jusqu’à ce que la caféine disparaisse. La fréquence est le nombre attendu de fois qu’une transition se produit pendant une période donnée.

À chaque tic-tac de la seconde, une transition spécifique d’un électron du césium 133 se produit 9192631770 fois. C’est devenu l’étalon de mesure du temps. À ce jour, le césium fournit la définition la plus précise de la seconde, mais elle peut être améliorée en utilisant des fréquences plus élevées.

Plus la fréquence de transition est élevée, moins une seule erreur de lecture peut nuire à la précision totale. S’il y a cinquante transitions par seconde, le coût en termes de précision d’une erreur de comptage serait cent fois plus important que s’il y en avait 5 000.

La réduction de cette erreur se heurte à deux limites : les défis technologiques liés à la mesure des fréquences, en particulier les plus élevées, et la nécessité de trouver un système – les atomes de césium 133 pour la seconde – dont la transition à haute fréquence est mesurable.

Pour mesurer une fréquence inconnue, les scientifiques prennent un signal de fréquence connue – une référence – et le combinent avec la fréquence qu’ils veulent mesurer. La différence entre les deux sera un nouveau signal avec une petite fréquence facile à mesurer : la fréquence de battement.

Les horloges atomiques utilisent cette technique pour mesurer la fréquence de transition des atomes avec une telle précision qu’elles deviennent des étalons pour la définition de la seconde. Pour atteindre une telle précision, les scientifiques ont besoin d’un signal de référence fiable, qu’ils obtiennent à l’aide d’un peigne de fréquences.

Un peigne de fréquences utilise des lasers, diffusés sous forme d’impulsions intermittentes. Ces faisceaux contiennent de nombreuses ondes lumineuses différentes, dont les fréquences sont également espacées, comme les dents d’un peigne – d’où le nom.

Dans les horloges atomiques, un peigne de fréquences est utilisé pour transférer de l’énergie à des millions d’atomes simultanément, en espérant que l’une des dents du peigne batte avec la fréquence de transition d’un atome. Un peigne de fréquences dont les dents sont nombreuses, fines et dans la bonne gamme de fréquences augmente les chances que cela se produise. Ils sont donc essentiels pour obtenir des mesures de haute précision d’un signal de référence.

De l’horloge atomique à l’horloge nucléaire

Comme nous l’avons vu, la seconde est définie par les transitions électroniques dans les atomes de césium. Les transitions se produisant à une fréquence plus basse sont plus faciles à mesurer. Mais celles qui se produisent à une fréquence plus élevée permettent d’augmenter la précision de la mesure.

Les transitions du césium se produisent à peu près à la même fréquence du spectre électromagnétique que les micro-ondes. Ces fréquences micro-ondes sont inférieures à celles de la lumière visible. Mais en septembre 2021, les scientifiques ont effectué des mesures en utilisant l’élément strontium, dont la fréquence de transition est plus élevée que celle du césium et se situe dans le domaine de la lumière visible. Cela ouvre la possibilité de redéfinir la seconde à l’horizon 2030.

En septembre 2024, des scientifiques américains ont fait des progrès décisifs dans la construction d’une horloge nucléaire, un pas de plus vers l’horloge atomique. Contrairement à l’horloge atomique, la transition mesurée par ce nouveau dispositif se produit dans le noyau de l’atome (d’où son nom), ce qui lui confère une fréquence encore plus élevée.

Le thorium 229, l’atome utilisé pour cette étude, présente une transition nucléaire qui peut être excitée par la lumière ultraviolette. L’équipe travaillant sur l’horloge nucléaire a relevé le défi technologique consistant à construire un peigne de fréquences fonctionnant dans la gamme de fréquences relativement élevée de la lumière ultraviolette.

Il s’agit d’un grand pas en avant, car les transitions nucléaires ne sont généralement visibles qu’à des fréquences beaucoup plus élevées, comme celles du rayonnement gamma. Or, nous ne sommes pas encore en mesure de mesurer avec précision les transitions dans la gamme des rayons gamma.

La transition de l’atome de thorium a une fréquence environ un million de fois plus élevée que celle de l’atome de césium. Cela signifie que, bien qu’elle ait été mesurée avec une précision inférieure à celle de l’horloge au strontium actuellement à la pointe de la technologie, elle promet une nouvelle génération d’horloges avec des définitions beaucoup plus précises de la seconde.

Mesurer le temps à la dix-neuvième décimale, comme le font les horloges nucléaires, permettrait aux scientifiques d’étudier des processus très rapides. Imaginez deux coureurs à égalité dans un photo-finish. Si le chronomètre de l’arbitre comportait quelques chiffres supplémentaires, il serait en mesure d’identifier le vainqueur.

De même, la relativité générale est utilisée pour étudier les processus à grande vitesse qui pourraient entraîner des chevauchements avec la mécanique quantique. Une horloge nucléaire nous fournira la technologie nécessaire pour prouver ces théories.

D’un point de vue technologique, les systèmes de positionnement précis tels que le GPS reposent sur des calculs complexes qui nécessitent des mesures précises du temps nécessaire à un signal pour passer d’un appareil à un satellite et à un autre appareil.

Une meilleure définition de la seconde se traduira par un GPS beaucoup plus précis. Le temps de la seconde de césium est peut-être écoulé, mais un tout nouveau monde l’attend au-delà.

Vittorio Aita, Associé de recherche, Département de physique, King’s College London

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’original article.