No 156, janvier 2019

Université

Une horloge suisse parmi les diapasons du temps universel

Horloge atomique

La Suisse contribue, depuis peu et pour la première fois, directement à l’exactitude du Temps universel coordonné (UTC), grâce à l’une des horloges atomiques les plus exactes au monde. Cette horloge atomique, la Fontaine continue suisse (FoCS), se trouve à l’Institut fédéral de métrologie (METAS) à Wabern, près de Berne. Celle-ci a été développée par METAS, en collaboration avec le Laboratoire temps-fréquence de l’Université de Neuchâtel.

À l’origine, l’unité de temps, la seconde, était définie au travers de l'observation de la rotation de la Terre autour de son axe. Depuis une cinquantaine d’années, la seconde est réalisée par la mesure de la fréquence d'une transition d’atomes de césium. L’oscillation de ces atomes est si régulière qu'elle permet la réalisation de la seconde avec une extrême exactitude au moyen d’horloges atomiques.

Le Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Paris établit l'échelle du Temps universel coordonné (UTC) à partir des données fournies par quelque 350 horloges atomiques de plus de 60 laboratoires de référence pour la mesure du temps dans le monde entier. Il s’agit du temps de référence international, qui donne la cadence pour tous les fuseaux horaires.

L’ajustage fin de l’UTC requiert la contribution d’horloges atomiques encore plus exactes, appelées étalons primaires de fréquence. Seule une douzaine de ces étalons primaires existe de par le monde.

Le BIPM vient de reconnaître la Fontaine continue suisse (FoCS) de l’Institut fédéral de métrologie (METAS) à Wabern près de Berne comme nouvel étalon primaire de fréquence, et permet ainsi à la Suisse de contribuer pour la première fois directement à l’ajustage fin de l’UTC.

Une seconde en 30 millions d’années
L’étalon primaire de fréquence FoCS a été développé dans le cadre d’une collaboration entre METAS et le Laboratoire temps-fréquence de l’Université de Neuchâtel. Les travaux de recherche de l'Université de Neuchâtel ont été soutenus par le Fonds national suisse.

FoCS est l’une des horloges atomiques les plus exactes du monde. Elle est si exacte qu’il faudrait plus de 30 millions d’années pour que deux horloges de ce même type puissent afficher une différence d’une seconde.

Pour parvenir à ce degré d’exactitude, des atomes de césium sont tout d’abord ralentis au moyen de faisceaux lasers, et sont ainsi refroidis à des températures proches du zéro absolu. Ces atomes sont ensuite lancés en continu sur une trajectoire parabolique, de manière à pouvoir mesurer leur fréquence de transition. D’où le nom de fontaines à jets de césium pour ce type d’étalons primaires.

Exactitude extrême pour une utilisation quotidienne
La réalisation de la seconde à quinze chiffres après la virgule n’est pas une fin en soi. Une telle exactitude est nécessaire. D’une part, parce que l’unité de la seconde est indispensable à la réalisation de plusieurs autres grandeurs du système international d’unités, comme le mètre, le kilogramme, ou l’ampère, et que leur exactitude dépend donc de la mesure du temps et de la fréquence. D’autre part, une extrême exactitude de la mesure du temps est indispensable au bon fonctionnement des systèmes de géolocalisation et de télécommunications.


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