Depuis plus d'une décennie, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a dévoilé des horloges atomiques expérimentales de nouvelle génération. Ces horloges, à base d'ytterbium, strontium, aluminium, et des atomes de mercure, entre autres, ont établi des records de précision et de stabilité.

Mais, et alors? Tout cela fait partie des efforts continus du NIST pour améliorer sa capacité à maintenir et à diffuser l'heure civile officielle des États-Unis. Une question pratique a été de savoir quand de telles horloges expérimentales pourraient commencer à être utilisées pour soutenir le chronométrage officiel.

De nouvelles simulations du NIST suggèrent que ces horloges peuvent maintenant être suffisamment fiables et pratiques pour commencer à contribuer aux étalonnages qui prennent en charge l'heure civile officielle des États-Unis.

Actuellement, les horloges fontaines au césium NIST-F1 et NIST-F2 fonctionnent environ une semaine par mois pour étalonner les échelles de temps NIST, des réseaux de masers à hydrogène - des versions micro-ondes de lasers - maintenant l'heure civile officielle des États-Unis pour la distribution aux marchés financiers et à des millions d'autres utilisateurs à travers le monde. Sans ces étalonnages, l'heure officielle dérive un peu.

Les horloges de nouvelle génération fonctionnent à des fréquences optiques, beaucoup plus élevé que les fréquences micro-ondes des horloges au césium. Les horloges optiques sont des installations de laboratoire de physique complexes et ne fonctionnent généralement que par intermittence.

"En principe, l'horloge optique doit être la meilleure référence de fréquence dans le bâtiment, " a déclaré Chris Oates, chef de la division temps et fréquence du NIST. "Ces horloges sont de plus en plus fiables, plus robuste tout le temps. Il y a eu des expériences où ils ont fait fonctionner ces choses pendant des jours."

"Nous voulions répondre à la question, « Est-ce que cela vaut la peine de faire des efforts en ce moment pour essayer de comparer nos horloges optiques existantes à l'échelle de temps ? » Ce document a confirmé qu'il est logique d'effectuer une première évaluation."

En effet, des premières démonstrations similaires sont en cours dans d'autres instituts nationaux de métrologie dans le monde. Dans de telles manifestations, les horloges optiques ne génèrent pas ou ne gardent pas l'heure officielle - plutôt, ils fournissent des références de fréquence (intermittentes) extrêmement stables qui prennent en charge la génération de temps.

Les simulations du NIST ont montré que pour obtenir les mêmes performances qu'une échelle de temps calibrée en fontaine de césium, Le NIST devrait faire fonctionner une horloge optique pendant 12 minutes toutes les 12 heures, ou 1 heure par jour, ou 4 heures tous les 2 et 1/3 jours, ou 12 heures par semaine. Entre autres avantages, de tels étalonnages pourraient réduire l'erreur dans l'heure officielle à seulement 2 nanosecondes (ns), mieux que les décalages actuels dans l'heure officielle du NIST.

Parce que toute erreur de synchronisation s'aggrave progressivement, l'étude suggère de faire fonctionner une horloge optique 4 heures à la fois au moins 3 fois par semaine.

Le NIST utilise déjà des horloges optiques pour surveiller les masers dans l'échelle de temps. Le plan est maintenant de construire un système pour utiliser les résultats de l'horloge optique pour créer une "échelle de temps papier" et accumuler des données sur la façon dont elle se compare à la réalité. En principe, n'importe quelle entrée de temps et de fréquence peut être utilisée pour calibrer l'échelle de temps ; des entrées plus précises reçoivent plus de poids. On s'attend à ce que les horloges optiques s'avèrent utiles pour de vrais étalonnages même avec leur disponibilité modeste, car elles pourraient fournir un bon support tout en fonctionnant moins souvent que les horloges au césium.

Pour faciliter le processus, Le NIST pourrait faire fonctionner plusieurs horloges optiques et basculer entre elles à des fins d'étalonnage. En exécutant différentes horloges optiques dans différentes tranches de temps, Le NIST pourrait répartir la charge de travail entre différents laboratoires et membres du personnel.

L'étude de simulation du NIST a révélé que divers types d'horloges optiques pouvaient être utilisés pour calibrer l'échelle de temps. C'est parce que la plupart de ces horloges ont une stabilité plus élevée et une incertitude plus faible que l'échelle de temps, ainsi, toute incertitude dans les estimations des sources de fréquence qui soutiennent l'heure officielle serait principalement due aux limitations de stabilité de l'échelle de temps. Plus loin, L'heure officielle du NIST ne peut pas être plus précise que les normes internationales, donc pour l'instant il n'y a pas de besoin pressant d'améliorer l'échelle de temps.

Cela pourrait bientôt changer, toutefois. Ces études peuvent être utiles dans une future redéfinition du Système international d'unités (SI). L'unité de temps standard, la deuxième, est basé sur les propriétés de l'atome de césium depuis 1967. Dans les années à venir, la communauté scientifique internationale devrait redéfinir la seconde, sélectionner un nouvel atome comme base pour les horloges atomiques standard et le chronométrage officiel.