Quoi de mieux qu'une horloge atomique de pointe ? Deux horloges en une.

Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont combiné deux horloges atomiques expérimentales basées sur des atomes d'ytterbium pour établir un nouveau record mondial de stabilité d'horloge. La stabilité peut être considérée comme la précision avec laquelle la durée de chaque tick d'horloge correspond à chaque autre tick qui vient avant et après.

Cette stabilité extraordinaire fait de l'horloge à réseau d'ytterbium un outil plus puissant pour des tests de précision tels que si les "constantes fondamentales" de la nature sont vraiment constantes, et recherche la matière noire insaisissable censée constituer une grande partie de l'univers. L'expérience démontrant la conception à double horloge est rapportée dans Photonique de la nature .

"Nous avons éliminé un type critique de bruit dans le fonctionnement de l'horloge, rendant efficacement le signal d'horloge plus fort, " Le physicien du NIST Andrew Ludlow a déclaré. " Cela signifie que nous pouvons atteindre une instabilité d'horloge de 1,5 parties dans un quintillion (1 suivi de 18 zéros) en quelques milliers de secondes. Bien que cela ne dépasse que légèrement le niveau record de stabilité d'horloge que nous avons démontré il y a quelques années, on y arrive 10 fois plus vite."

Les horloges atomiques du NIST fonctionnent régulièrement à des niveaux très élevés, mais les scientifiques les peaufinent continuellement pour réduire les légères imperfections. La nouvelle conception à double horloge élimine une distorsion faible mais significative de la fréquence laser qui sonde et se synchronise avec les atomes. Plus l'horloge est stable, meilleure est sa puissance de mesure.

La nouvelle 'double horloge' en treillis d'ytterbium est l'horloge la plus stable au monde, bien qu'une autre horloge atomique du NIST, à base de strontium et situé au JILA, détient le record du monde de précision. La précision fait référence à la proximité avec laquelle l'horloge s'accorde à la fréquence naturelle à laquelle les atomes oscillent entre deux niveaux d'énergie électronique.

Les horloges à l'ytterbium et au strontium fonctionnent à des fréquences optiques, bien supérieures aux fréquences micro-ondes des horloges atomiques au césium utilisées comme étalons de temps. Une horloge atomique optique fonctionne en réglant la fréquence d'un laser pour qu'elle résonne avec la fréquence de transition des atomes entre deux états d'énergie. Ce tic-tac atomique est transféré au laser pour être utilisé comme outil de chronométrage. Tout bruit ou incertitude affectant ce processus perturbe la fréquence laser et, Donc, la précision du chronométrage.

Les horloges atomiques optiques alternent généralement le sondage laser des atomes avec des périodes de "temps mort" pendant lesquelles les atomes sont préparés et mesurés. Pendant les temps morts, certaines fluctuations de fréquence laser ne sont pas correctement observées ou compensées dans le processus de réglage laser. Les effets de bruit qui en résultent (observés pour la première fois dans les années 1990 par G.J. Dick, puis du California Institute of Technology) a, jusqu'à maintenant, stabilité et précision de l'horloge limitées.

La nouvelle conception à double horloge du NIST n'a aucun temps mort - et est, donc, surnommée l'horloge ZDT - et pratiquement aucun bruit de temps mort, car il sonde les atomes en continu en passant d'un ensemble atomique à l'autre. Les deux ensembles de 5, 000 et 10, 000 atomes d'ytterbium, respectivement, sont chacun piégés dans une grille de lumière laser appelée réseau optique et sondés par un laser commun.

Les mesures des réponses des deux ensembles d'atomes sont combinées pour produire un seul, correction combinée de la fréquence laser. Ces mesures et corrections sont effectuées deux fois plus vite que dans une seule horloge. Parce qu'il n'y a pas de bruit de temps mort, la nouvelle horloge atteint des niveaux de stabilité record 10 fois plus rapidement qu'auparavant. Surtout, les performances sont désormais limitées par le système atomique de l'horloge plutôt que le laser, un objectif longtemps recherché en physique que Ludlow appelle un "rêve" pour les applications futures.

Cette approche peut finalement réduire la taille et la complexité de l'horloge atomique, ainsi, l'appareil pourrait être rendu suffisamment portable pour être utilisé en dehors du laboratoire. Le package physique est actuellement plus grand qu'une seule horloge, mais finalement les deux systèmes atomiques pourraient partager un seul appareil à vide et des systèmes laser plus simples, réduisant ainsi la taille globale, dit Ludlow. Des horloges atomiques optiques portables pourraient être distribuées dans le monde entier pour la géodésie relativiste (mesures gravitationnelles de la forme de la Terre) ou embarquées sur des engins spatiaux pour des tests de relativité générale.