Les chercheurs ont mesuré le tic-tac d'une horloge optique avec une précision record tout en montrant que l'horloge peut fonctionner avec une cohérence sans précédent. Ces réalisations représentent une étape importante vers la démonstration que la nouvelle génération d'horloges atomiques optiques est suffisamment précise et robuste pour être utilisée pour redéfinir la longueur officielle d'une seconde, qui est actuellement basé sur des horloges atomiques micro-ondes.

"Une définition plus précise d'une seconde et une meilleure infrastructure de chronométrage soutiendraient les progrès continus des systèmes de chronométrage utilisés dans un large éventail d'applications, y compris les systèmes de communication et de navigation, " dit Andrew Ludlow, l'un des chefs d'équipe de recherche du National Institute of Standards and Technology (NIST), ETATS-UNIS. "Cela fournirait également des mesures plus précises pour explorer des phénomènes physiques qui ne sont pas encore entièrement compris."

La nouvelle recherche est rapportée dans Optique .

"Les horloges optiques sont probablement capables d'une précision beaucoup plus élevée, probablement 10 à 100 fois mieux que ce que nous avons mesuré dans ce travail, " a déclaré Ludlow. "Pour prouver la véritable précision de ces horloges sans être limité par la définition actuelle d'une seconde, il faudra des comparaisons de haute qualité directement entre différents types d'horloges optiques."

Pourquoi utiliser une horloge optique ?

Les horloges fonctionnent en comptant un événement récurrent avec une fréquence connue, comme le balancement d'un pendule. Pour les horloges atomiques traditionnelles, l'événement récurrent est l'oscillation naturelle de l'atome de césium, qui a une fréquence dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique. Depuis 1967, le Système international d'unités (SI) a défini une seconde comme le temps qui s'écoule pendant 9, 192, 631, 770 cycles du signal hyperfréquence produit par ces oscillations.

Les horloges atomiques optiques utilisent des atomes tels que l'ytterbium et le strontium qui oscillent autour de 100, 000 fois plus élevées que les fréquences micro-ondes, dans l'optique, ou visible, partie du spectre électromagnétique. Ces fréquences plus élevées permettent aux horloges optiques de fonctionner plus rapidement que les horloges atomiques micro-ondes, les rendant plus précis et stables dans le temps.

« Les fréquences plus élevées mesurées par les horloges optiques facilitent généralement le contrôle des influences environnementales sur les atomes, " dit Tara Fortier, un membre de l'équipe de recherche. "Cet avantage pourrait éventuellement permettre le développement de systèmes d'horloge optique compacts qui maintiennent des performances relativement élevées dans un large éventail d'environnements d'application."

Atteindre la précision des enregistrements

Pour montrer que le temps conservé avec une horloge optique est compatible avec les horloges atomiques au césium standard d'aujourd'hui, les chercheurs ont converti la fréquence d'une horloge atomique optique à l'ytterbium du NIST dans la région des micro-ondes et l'ont comparée à une collection de mesures d'horloges atomiques au césium situées à travers le monde.

Ils ont réalisé des mesures de fréquence de l'horloge optique à l'ytterbium avec une incertitude de 2,1 X 10-16. Cela correspond à ne perdre qu'environ 100 secondes sur l'âge de l'univers (14 milliards d'années) et établit un nouveau record de précision pour les mesures référencées au césium d'une horloge optique.

Bien que les horloges optiques soient très précises, ils ont tendance à subir des temps d'arrêt importants en raison de leur complexité technique et de la conception de leurs prototypes. Les chercheurs du NIST ont utilisé un groupe de huit masers à hydrogène pour garder l'heure lorsque l'horloge optique n'était pas opérationnelle. Maîtres, qui sont comme des lasers qui fonctionnent dans le domaine spectral des micro-ondes, peut garder l'heure de manière fiable mais a une précision limitée.

"La stabilité des masers - l'une des meilleures échelles de temps locales au monde - est l'une des raisons pour lesquelles nous avons pu effectuer une comparaison aussi précise avec le césium, " a déclaré Tom Parker, un membre de l'équipe de recherche. Ils ont encore réduit l'incertitude en effectuant 79 mesures sur 8 mois. C'est la première fois que des mesures d'horloge optique sont rapportées sur une période aussi longue.

Pour mieux comprendre les limites des horloges optiques, les chercheurs prévoient de comparer l'horloge optique à l'ytterbium utilisée dans cette étude avec d'autres types d'horloges optiques en cours de développement au NIST. Finalement, les horloges du NIST pourraient être comparées aux horloges optiques d'autres pays pour déterminer quels types d'horloges seraient les meilleurs pour redéfinir la seconde SI.

Les chercheurs soulignent qu'il faudra encore quelques années pour redéfinir la durée d'une seconde. Même si ça change, l'application de la nouvelle norme nécessiterait une technologie qui connecte et transmette mieux les signaux des horloges optiques du monde entier d'une manière qui préserve la stabilité et la précision de l'heure.