Les physiciens et collaborateurs de la JILA ont fait la démonstration de la première « échelle de temps » de nouvelle génération, un système qui incorpore les données de plusieurs horloges atomiques pour produire un seul signal de chronométrage très précis pour la distribution. L'échelle de temps JILA surpasse les meilleurs hubs existants pour la diffusion de l'heure officielle dans le monde entier et offre la possibilité de fournir une heure plus précise à des millions de clients tels que les marchés financiers et les réseaux informatiques et téléphoniques.

La nouvelle architecture d'échelle de temps combine un super-fiable, horloge atomique avancée avec un dispositif ultrastable pour stocker les signaux temporels et est un "plan pour la mise à niveau des échelles de temps dans le monde entier, " comme décrit dans le journal Lettres d'examen physique .

JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

"Je pense que cette nouvelle démonstration d'échelle de temps sera très importante pour la redéfinition du temps à l'avenir, " a déclaré Jun Ye, Boursier NIST/JILA et chef de projet.

La récente redéfinition du Système international d'unités (SI) n'a pas mis à jour la façon dont le temps est mesuré. 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.

Pour préparer ce changement, les chercheurs doivent mettre à niveau les systèmes de distribution du temps.

Le NIST exploite les échelles de temps civiles de la nation, des réseaux de masers à hydrogène (versions micro-ondes de lasers) qui fournissent des signaux oscillants fiables pour maintenir un « ticking » stable pour l'heure officielle de la journée civile américaine, qui est lié au temps international (temps universel coordonné ou UTC). Deux horloges atomiques basées sur l'étalon césium, appelé NIST-F1 et NIST-F2, sont utilisés pour calibrer et assurer la précision des échelles de temps.

Comme les horloges atomiques de nouvelle génération, L'échelle de temps expérimentale de JILA fonctionne entièrement à des fréquences optiques, qui sont beaucoup plus élevées que les fréquences micro-ondes des étalons de temps au césium. Les fréquences optiques divisent le temps en unités plus petites et peuvent donc offrir une plus grande précision.

Les efforts pour incorporer les dernières horloges atomiques optiques dans des échelles de temps micro-ondes plus anciennes se sont heurtés à des limites en termes de stabilité à long terme, en raison des propriétés inhérentes des masers et des fluctuations associées à leur liaison avec des horloges expérimentales fonctionnant par intermittence.

L'équipe JILA a résolu ces problèmes en optimisant un type d'oscillateur plus stable et en contrôlant étroitement les conditions de fonctionnement telles que la température afin que leur horloge à réseau de strontium hautement stable et précise puisse fonctionner régulièrement à la demande.

L'oscillateur est formé par un faisceau laser dirigé dans une cavité creuse constituée d'un monocristal de silicium, à l'intérieur duquel une lumière laser d'une couleur spécifique, ou fréquence, rebondit régulièrement pendant longtemps, comme un métronome. Ces appareils existent depuis des années, mais une collaboration JILA à long terme avec Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l'institut national allemand de métrologie, a trouvé une nouvelle façon de les construire, améliorant considérablement la stabilité de la lumière. Récemment, l'équipe JILA a encore renforcé la stabilité à long terme de leur cavité, qui mesure 21 centimètres de long et fonctionne à des températures cryogéniques de 124 K (moins 149,15 C), en utilisant des optiques superpolies et un meilleur contrôle de la chaleur, entre autres ajustements.

Dans l'échelle de temps JILA, un peigne de fréquence optique (une règle pour la lumière) transfère le signal optique stable de cette cavité à une autre, laser très stable qui brille sur les atomes de l'horloge et synchronise la fréquence de la lumière avec leur tic-tac. Deux lasers supplémentaires sont stabilisés dans des cavités indépendantes. Les multiples lasers et cavités offrent une redondance en cas de dysfonctionnement.

La stabilité de l'oscillateur a été comparée en continu à celle de l'échelle de temps micro-onde du NIST par une liaison fibre optique souterraine préexistante entre JILA, sur le campus de l'université, et NIST, à environ un kilomètre et demi. Plus d'un mois de mesures, la stabilité de fréquence de l'oscillateur optique a constamment dépassé celle des masers dans l'échelle de temps des micro-ondes.

Les résultats expérimentaux montrent que l'architecture d'échelle de temps JILA surpasse les échelles de temps micro-ondes, même lorsque les masers sont calibrés par des horloges atomiques de nouvelle génération. L'analyse de l'équipe indique qu'en exécutant l'horloge optique JILA 50 % du temps, l'échelle de temps tout optique pourrait atteindre un niveau de stabilité environ 10 fois meilleur que l'échelle de temps micro-ondes standard, ou 1 × 10 ^-17 , après quelques mois de moyenne.

Un autre avantage pratique est que la fréquence de l'oscillateur peut être prédite en utilisant des techniques d'analyse micro-ondes conventionnelles, permettant à l'équipe d'estimer une erreur de synchronisation de seulement 48 ± 94 picosecondes (milliardièmes de seconde) après 34 jours de fonctionnement.

Des évolutions techniques supplémentaires sont prévues, y compris l'automatisation qui devrait permettre à l'horloge de fonctionner plus de 50 % du temps. Les chercheurs prévoient également d'intégrer le signal optique à l'échelle de temps dans l'échelle de temps du NIST en utilisant le réseau de fibre souterrain.