Des physiciens américains ont dévoilé jeudi 22 août l'horloge atomique expérimentale la plus précise au monde, capable de varier de moins d'une seconde en 13,8 milliards d'années, l'âge estimé de l'univers. Cette pendule fonctionne avec des atomes d'ytterbium, un élément de terres rares, et des lasers permettant une régularité du battement dix fois supérieur aux meilleures horloges atomiques existantes. Comparativement à une montre à quartz, cette nouvelle venue est dix milliards de fois plus précise.

Cette avancée en physique a des implications potentielles importantes non seulement pour la précision dans la mesure du temps universel mais aussi sur le GPS et un ensemble de capteurs de différentes forces comme la gravité, le champ magnétique et la température, explique Andrew Ludlow, un physicien du National Institute of Standard and Technology (NIST) et un des principaux coauteurs de ces travaux parus dans la revue américaine Science.

Comme toutes les horloges, les horloges atomiques maintiennent la mesure du temps en se basant sur la durée d'une seconde selon un phénomène physique qui se reproduit régulièrement. Alors que les horloges mécaniques utilisent le mouvement d'un pendule pour maintenir l'heure, les horloges atomiques s'appuient sur la fréquence toujours constante de la lumière nécessaire pour faire vibrer un atome de césium, la référence internationale actuelle.

La dernière née des horloges atomiques s'appuie sur quelque 10 000 atomes d'ytterbium refroidis un peu au-dessus du zéro absolu (– 273,15 °C). Ces atomes sont piégés dans des puits optiques formés de rayons laser. Un autre laser "bat" 518 000 milliards de fois par seconde, créant une transition entre deux niveaux d'énergie dans les atomes qui assure une vibration d'une régularité encore plus grande qu'avec un atome de césium et pourrait conduire à une nouvelle définition internationale de la seconde et donc du temps universel.

Ainsi, les lasers sont en mesure de fournir une régularité de battement 100 fois plus stable que les horloges atomiques au césium et dix milliards de fois plus précise par rapport à une banale montre à quartz.

"Cette avancée spectaculaire aura des implications significatifs non seulement sur la précision du chronométrage, mais également sur le GPS et un ensemble de capteurs qui mesurent des forces minuscules comme la gravité, les champs magnétiques et la température" a précisé Andrew Ludlow, coauteur des travaux parus dans la revue américaine Science. "Et il s'agit là d'une étape majeure dans l'évolution des horloges atomiques de nouvelle génération actuellement en cours de développement dans le monde entier".

L'horloge atomique utilise la pérennité et l'immuabilité de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre pour assurer l'exactitude et la stabilité du signal oscillant qu'elle produit. Elle s'appuie sur la fréquence toujours constante de la lumière nécessaire pour faire vibrer un atome de césium, la référence internationale actuelle.

Chacune des horloges atomiques du NIST s'appuie sur environ 10.000 atomes d'ytterbium refroidis à 10 microkelvin (10 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu – 273,15 °C). Ces atomes sont piégés dans un réseau de puits optiques en forme de galette et comprenant de rayons laser. Un autre laser "bat" 518 milliards de fois par seconde et provoque une transition entre deux niveaux d'énergie dans les atomes. Une vibration d'une régularité encore plus importante que celle obtenue avec un atome de césium pourrait conduire à une nouvelle définition internationale de la seconde et donc du temps universel. Par ailleurs, le grand nombre d'atomes semble être la clé d'une plus grande stabilité des horloges.