Les horloges atomiques expérimentales du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont atteint trois nouveaux records de performance, tic tac maintenant assez précisément pour non seulement améliorer le chronométrage et la navigation, mais aussi détecter de faibles signaux de gravité, l'univers primitif et peut-être même la matière noire.

Les horloges piègent chacune un millier d'atomes d'ytterbium dans des réseaux optiques, grilles faites de faisceaux laser. Les atomes vibrent ou basculent entre deux niveaux d'énergie. En comparant deux horloges indépendantes, Les physiciens du NIST ont atteint des performances record dans trois mesures importantes :incertitude systématique, stabilité et reproductibilité.

Publié en ligne le 28 novembre dans la revue La nature , les nouveaux enregistrements d'horloge NIST sont :

• Incertitude systématique :dans quelle mesure l'horloge représente-t-elle les vibrations naturelles, ou fréquence, des atomes. Des chercheurs du NIST ont découvert que chaque horloge fonctionnait à une fréquence correspondant à la fréquence naturelle avec une erreur possible de seulement 1,4 partie sur 10 ¹⁸ — environ un milliardième de milliardième.
• Stabilité :dans quelle mesure la fréquence de l'horloge change sur un intervalle de temps spécifié, mesuré à un niveau de 3,2 parties sur 10 ¹⁹ (ou 0,00000000000000000032) sur une journée.
• Reproductibilité : à quel point les deux horloges se rapprochent-elles de la même fréquence ? montré par 10 comparaisons de la paire d'horloges, produisant une différence de fréquence inférieure à 10 ^-18 niveau (encore une fois, moins d'un milliardième de milliardième).

"L'incertitude systématique, stabilité, et la reproductibilité peut être considérée comme la « fluide royale » des performances de ces horloges, " Le chef de projet Andrew Ludlow a déclaré. " L'accord des deux horloges à ce niveau sans précédent, que nous appelons reproductibilité, est peut-être le résultat le plus important, car il requiert et justifie essentiellement les deux autres résultats. »

"C'est particulièrement vrai parce que la reproductibilité démontrée montre que l'erreur totale des horloges tombe en dessous de notre capacité générale à tenir compte de l'effet de la gravité sur le temps ici sur Terre. Par conséquent, alors que nous envisageons des horloges comme celles-ci utilisées dans le pays ou dans le monde, leur performance relative serait, pour la première fois, limité par les effets gravitationnels de la Terre."

La théorie de la relativité d'Einstein prédit que le tic-tac d'une horloge atomique, C'est, la fréquence des vibrations des atomes, est réduit - déplacé vers l'extrémité rouge du spectre électromagnétique - lorsqu'il est utilisé dans une gravité plus forte. C'est-à-dire, le temps passe plus lentement à basse altitude.

Alors que ces soi-disant redshifts dégradent le chronométrage d'une horloge, cette même sensibilité peut être inversée pour mesurer de manière exquise la gravité. Les horloges ultrasensibles peuvent cartographier la distorsion gravitationnelle de l'espace-temps plus précisément que jamais. Les applications incluent la géodésie relativiste, qui mesure la forme gravitationnelle de la Terre, et détecter les signaux de l'univers primitif tels que les ondes gravitationnelles et peut-être même la "matière noire" encore inexpliquée.

Les horloges à ytterbium du NIST dépassent désormais la capacité conventionnelle de mesurer le géoïde, ou la forme de la Terre basée sur des relevés marégraphiques du niveau de la mer. Des comparaisons de telles horloges situées loin les unes des autres, comme sur différents continents, pourraient résoudre les mesures géodésiques à 1 centimètre près, mieux que l'état de l'art actuel de plusieurs centimètres.

Au cours de la dernière décennie de nouveaux records de performances d'horloge annoncés par le NIST et d'autres laboratoires du monde entier, ce dernier article présente une reproductibilité à un niveau élevé, disent les chercheurs. Par ailleurs, la comparaison de deux horloges est la méthode traditionnelle d'évaluation des performances.

Parmi les améliorations apportées aux dernières horloges à ytterbium du NIST figurait l'inclusion d'un blindage thermique et électrique, qui entourent les atomes pour les protéger des champs électriques parasites et permettre aux chercheurs de mieux caractériser et corriger les décalages de fréquence causés par le rayonnement thermique.

L'atome d'ytterbium fait partie des candidats potentiels à la future redéfinition de la seconde, l'unité internationale de temps, en termes de fréquences optiques. Les nouveaux records d'horloge du NIST répondent à l'une des exigences de la feuille de route internationale de redéfinition, une amélioration de 100 fois de la précision validée par rapport aux meilleures horloges basées sur la norme actuelle, l'atome de césium, qui vibre à des fréquences micro-ondes plus basses.

Le NIST construit une horloge portable en treillis d'ytterbium avec des performances de pointe qui pourrait être transportée vers d'autres laboratoires du monde entier pour des comparaisons d'horloges et vers d'autres endroits pour explorer les techniques de géodésie relativiste.