L'horloge à réseau optique en strontium transportable du Laboratoire souterrain de Modane. Crédit :Lisdat/PTB
Une collaboration européenne impliquant des experts horlogers du National Physical Laboratory (NPL), la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) et l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) ont utilisé pour la première fois une horloge atomique optique transportable pour mesurer la gravitation. Les résultats de l'expérience ont été publiés dans Physique de la nature .
Jusqu'à maintenant, des horloges aussi délicates ont été réservées aux laboratoires de quelques grandes institutions de recherche. Cependant, des chercheurs du PTB ont développé une horloge à réseau optique au strontium transportable pour effectuer des mesures sur le terrain. L'horloge transportable a été conduite dans une remorque à amortissement des vibrations et à température stabilisée jusqu'au Laboratoire souterrain français de Modane (LSM). Le laboratoire pluridisciplinaire est situé au milieu du tunnel routier du Fréjus entre la France et l'Italie.
Là, l'équipe a mesuré la différence de potentiel de gravité entre l'emplacement exact de l'horloge à l'intérieur de la montagne et une deuxième horloge de l'INRIM située à 90 km à Turin, Italie, à une différence de hauteur d'environ 1, 000 m.
La comparaison précise des deux horloges a été rendue possible grâce à une liaison en fibre optique de 150 km de long mise en place par l'INRIM et un peigne de fréquence de NPL pour connecter l'horloge à la liaison. Des chercheurs de la Leibniz Universität Hannover ont également déterminé la différence de potentiel de gravité en utilisant des techniques géodésiques conventionnelles, et les deux mesures se sont avérées cohérentes.
La remorque antivibratoire et stabilisée en température avec l'horloge atomique optique de PTB dans le Laboratoire souterrain français de Modane (LSM). Crédit :Lisdat/PTB
Avec des améliorations de la précision de l'horloge optique transportable, cette technique a le potentiel de résoudre des différences de hauteur aussi petites que 1 cm à travers la surface de la Terre. L'avantage d'utiliser des horloges optiques est qu'elles peuvent effectuer des mesures à des points spécifiques contrairement aux mesures par satellite, comme GRACE et GOCE, qui font la moyenne du potentiel de gravité sur des échelles de longueur d'environ 100 km.
Cette nouvelle méthode pourrait conduire à des mesures à plus haute résolution du potentiel gravitationnel de la Terre, permettant aux scientifiques de surveiller les changements de hauteur des continents liés au niveau de la mer et à la dynamique des courants océaniques avec une précision sans précédent. Cela conduira également à des systèmes de hauteur nationaux plus cohérents.
Actuellement, différents pays mesurent la surface de la Terre de la même manière, mais par rapport à différents niveaux de référence. Cela a entraîné des problèmes, notamment le pont Hochrhein entre l'Allemagne et la Suisse, où la construction de chaque côté a utilisé différents calculs du niveau de la mer, conduisant à un écart de 54 cm entre les deux côtés.
La cohérence entre les systèmes de hauteur nationaux évitera des erreurs coûteuses dans les projets d'ingénierie et de construction. Des mesures améliorées du potentiel de gravité peuvent également aider à améliorer notre compréhension des effets géodynamiques associés aux changements de masse sous la surface de la Terre.
Vue intérieure de la remorque avec l'horloge atomique optique transportable de PTB. Crédit :Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Cette technologie permettra également de mesurer l'évolution du niveau de la mer en temps réel, permettant aux chercheurs de suivre les tendances saisonnières et à long terme des masses de calotte glaciaire et les changements globaux de la masse océanique. Ces données fournissent des données essentielles aux modèles utilisés pour étudier et prévoir les effets du changement climatique.
Hélène Margolis, boursier en étalons de fréquence optique et métrologie au NPL, mentionné, "Notre expérience de preuve de principe démontre que les horloges optiques pourraient fournir un moyen d'éliminer les écarts et d'harmoniser les mesures effectuées au-delà des frontières nationales. Un jour, une telle technologie pourrait aider à surveiller les changements du niveau de la mer résultant du changement climatique. »
Chef de groupe Christian Lisdat au PTB, mentionné, "Les horloges optiques sont considérées comme la prochaine génération d'horloges atomiques, fonctionnant non seulement dans les laboratoires mais aussi comme instruments de précision mobiles."
Davide Calonico à l'INRIM, mentionné, "Nous avons démontré que les horloges optiques sont de précieux capteurs quantiques, et leur technologie quantique est bénéfique en dehors de la métrologie primaire, en géodésie. Ensemble, les horloges optiques et les liaisons par fibre optique offrent la possibilité d'accéder à de nouvelles et fascinantes recherches scientifiques"
Heiner Denker à la Leibniz Universität Hanovre, mentionné, "Les horloges optiques nouvellement développées ont le potentiel de révolutionner la détermination géodésique de la hauteur, car ils peuvent surmonter certaines des limitations des techniques géodésiques classiques. Les horloges optiques pourraient aider à établir un système mondial de référence altimétrique unifié avec un impact significatif sur la recherche géodynamique et climatique. »
