Le 4 octobre 2010 — Ottawa, Ontario
Les chercheurs du CNRC ont franchi une étape importante dans la production d'un nouvel étalon mondial du temps.
En effet, en mai 2010, des scientifiques de l'Institut des étalons nationaux de mesure du CNRC (IENM-CNRC) à Ottawa, ont réussi à piéger et à isoler un ion de strontium, puis à en détecter la fluorescence grâce à un système d'imagerie doublé d'un photomultiplicateur comptant les photons. Cet exploit est un pas déterminant vers la concrétisation de l'objectif que s'est donné l'équipe : fabriquer, utiliser et évaluer une horloge atomique optique d'une précision extrême. Ce qui pourrait un jour repousser les frontières de la physique.
Les horloges possèdent toutes deux composantes : une qui produit un intervalle de temps précis et une qui compte ces intervalles. Dans l’horloge mécanique, un pendule oscille de seconde en seconde tandis que des rouages enregistrent le nombre d’oscillations du pendule.
L’horloge optique du CNRC produit de minuscules intervalles – en l’occurrence, la période qui sépare régulièrement les trains d’ondes lumineuses issus d’un étalon de fréquence optique. Cet étalon repose sur un laser dont on règle la fréquence sur la lumière absorbée par un ion de strontium. Pour compter les oscillations, le prototype d’horloge optique du CNRC recourt à un peigne de fréquences optiques, qui fait lui-même appel à un système laser à femtoseconde, lequel peut maintenant fonctionner sans surveillance plusieurs semaines d’affilée.
« Une horloge atomique optique révolutionnerait la mesure du temps, mais aussi tout ce qui est quantification en physique atomique ou moléculaire », explique Alan Madej, qui pilote le projet de l'IENM-CNRC en tandem avec son collègue Pierre Dubé. « Cette étape est cruciale si l'on veut maîtriser la lumière et prendre des mesures de précision dans l'avenir. »
À l'image de ses consœurs, l'horloge atomique optique est essentiellement un dispositif qui mesure le temps écoulé entre deux événements. Cependant, comme le dit M. Madej, « elle le ferait avec plus de précision et d'exactitude que n'importe quelle autre horloge en existence. Actuellement, le degré de précision des horloges atomiques à micro-ondes se situe autour de 3 à 5 x 10-16 seconde. Théoriquement, la précision d'une horloge atomique optique pourrait atteindre environ 10 18 seconde. Elle serait donc 100 fois plus grande. » En d'autres termes, la future horloge atomique optique n'avancerait et ne retarderait pas plus d'une infime fraction d'un milliardième de seconde par année!
Pourquoi une telle précision? Au dire de M. Madej, si l’on ne perfectionnait pas constamment les méthodes servant à mesurer des unités fondamentales comme la seconde, le mètre et le kilogramme, la physique arrêterait éventuellement de progresser. « Il y a quelques dizaines d’années, personne n’imaginait qu’on devrait mesurer le temps avec une précision supérieure à 10-10 seconde pour les applications civiles, poursuit-il. Puis sont venues les horloges atomiques à micro-ondes, plus précises encore, avec lesquelles a pu être développé le système mondial de localisation (GPS). À présent, tous les satellites ont une horloge atomique qui permet à chacun d’établir instantanément où il se trouve sur le globe. »
« Plus on mesurera avec précision le passage du temps, plus les applications de première ligne feront appel aux expériences de la physique pure, prédit M. Madej. Peut-être arriverons-nous à tester la théorie de la relativité générale d’Einstein au plus haut degré de précision. » Les horloges optiques permettraient également aux scientifiques d’étudier l’effet de la gravité sur le temps, ou aux engins spatiaux de naviguer avec précision dans les coins les plus reculés du système solaire. Bien que leurs applications commerciales soient difficiles à prévoir, les horloges optiques paveront certainement la voie à de nouvelles possibilités, tout comme la maîtrise de la lumière a ouvert la porte aux fibres optiques et aux télécommunications par fibre.
Les scientifiques des instituts nationaux de métrologie du monde entier s’attendent à ce que l’horloge au césium qui sert actuellement d’étalon à la seconde dans le système international (SI) soit remplacée par une horloge optique – peut-être d’ici quelques années. Néanmoins, on ignore quel genre d’horloge optique constituera le nouvel étalon. Une horloge reposant sur le piégeage d’un seul ion, comme celui de strontium, ou une autre faisant appel à un réseau d’ions semblent des candidats prometteurs, mais on n’a pas encore établi quel atome ferait le meilleur choix. Même après l’adoption générale des horloges optiques, les horloges à césium (et d’autres horloges atomiques non optiques) continueront cependant de jouer un rôle majeur dans les applications technologiques, car elles sont plus simples et plus compactes que les premières.
L’horloge à césium est l’étalon principal actuellement employé sur la planète pour définir la seconde. Depuis 1967, la seconde correspond au temps écoulé pendant exactement 9 192 631 770 oscillations du rayonnement provoquant la transition entre l’état d’énergie fondamental de l’atome de césium et son état excité.
