Dans une avancée significative vers la future redéfinition de l'unité de temps internationale, la deuxième, une équipe de recherche dirigée par le National Institute of Standards and Technology (NIST) a comparé trois des principales horloges atomiques au monde avec une précision record sur des liaisons aériennes et par fibre optique.

Décrite dans le numéro du 25 mars de La nature , le travail dirigé par le NIST est le premier à comparer trois horloges, basé sur différents atomes, et le premier à relier les horloges atomiques les plus avancées à différents endroits par voie hertzienne. Ces comparaisons d'horloges atomiques rapprochent la communauté scientifique des lignes directrices pour la redéfinition de la seconde.

"Ces comparaisons définissent vraiment l'état de l'art pour les mesures basées sur la fibre et en espace libre - elles sont toutes près de 10 fois plus précises que toutes les comparaisons d'horloge utilisant différents atomes effectuées jusqu'à présent, ", a déclaré le physicien du NIST, David Hume.

Les nouvelles mesures étaient difficiles parce que les trois types d'atomes impliqués "cochent" à des fréquences très différentes, parce que tous les nombreux composants du réseau devaient fonctionner avec une extrême précision, et parce que la liaison sans fil nécessitait une technologie et une conception laser de pointe.

L'étude a comparé l'horloge à ions aluminium et l'horloge à réseau d'ytterbium, situés dans différents laboratoires du NIST Boulder, avec l'horloge à treillis de strontium située à 1,5 kilomètre à JILA, un institut conjoint du NIST et de l'Université du Colorado Boulder. Les mesures de l'équipe étaient si précises que les incertitudes n'étaient que de 6 à 8 parties sur 10 ¹⁸ -C'est, les erreurs n'ont jamais dépassé 0,0000000000000000008, pour les liaisons fibre et sans fil.

Des chercheurs du NIST ont précédemment décrit comment ils transféraient des signaux temporels par liaison aérienne entre deux des horloges, les horloges en ytterbium NIST et en strontium JILA, et trouvé que le processus fonctionnait ainsi que la méthode à base de fibres et 1, 000 fois plus précisément que les schémas de transfert sans fil conventionnels. Ce travail montre comment les meilleures horloges atomiques pourraient être synchronisées sur des sites distants sur Terre et, comme les signaux horaires sont transférés sur de plus longues distances, même entre les engins spatiaux.

La clé de la liaison aérienne était l'utilisation de peignes de fréquence optique, qui permettent des comparaisons précises de fréquences très différentes. Les chercheurs du NIST ont développé des méthodes de transfert bidirectionnelles pour comparer avec précision les horloges optiques sur l'air, même dans des conditions de turbulence atmosphérique et de vibrations de laboratoire. La technique de transfert de signal basée sur un peigne avait été démontrée précédemment, mais le dernier travail était le premier à comparer des horloges atomiques de pointe.

Depuis 1967, le second a été défini à partir de l'atome de césium, qui fonctionne à une fréquence micro-onde. Les horloges atomiques utilisées dans les nouvelles comparaisons fonctionnent à des fréquences optiques beaucoup plus élevées, qui divisent le temps en unités plus petites et offrent ainsi une plus grande précision. Les comparaisons sont cruciales pour la sélection par la communauté internationale d'un ou plusieurs atomes comme prochain standard de temps.

Les nouveaux résultats du NIST rapportés dans La nature également établi d'autres records importants. La fréquence est la grandeur unique la plus précisément mesurée en science. L'équipe du NIST a mesuré les rapports de fréquence, les relations quantitatives entre les fréquences des atomes mesurées en trois couples (ytterbium-strontium, ytterbium-aluminium, aluminium-strontium). Les résultats sont les trois mesures les plus précises jamais faites de constantes naturelles. Les rapports de fréquence sont considérés comme des constantes et sont utilisés dans certaines normes et tests internationaux des théories de la physique fondamentale.

Les rapports de fréquence offrent un avantage important en tant que métrique pour évaluer les horloges atomiques optiques. Une mesure directe d'une fréquence d'horloge optique dans les unités habituelles de Hertz est limitée par la précision de la norme internationale actuelle, l'horloge micro-ondes au césium. Les rapports de fréquence surmontent cette limitation car ils ne sont exprimés dans aucune unité.

Les rapports de fréquence sont généralement mesurés sur de longues distances en utilisant des réseaux de fibre, qui sont rares, ou dans certains cas avec des données micro-ondes transférées sur des liaisons satellites, qui ont tendance à être instables.

Les lignes directrices pour la redéfinition de la seconde recommandent la démonstration et la vérification de mesures de rapports de fréquence multiples avec des incertitudes approchant les meilleures performances d'horloge optique. Les trois types d'horloges de la nouvelle étude offrent désormais des performances exceptionnelles et promettent de nouvelles améliorations. les horloges à ytterbium du NIST, par exemple, représentent la fréquence naturelle des atomes (une valeur connue sous le nom d'incertitude systématique) avec une erreur possible de seulement 1,4 partie sur 10 ¹⁸ — environ un milliardième de milliardième.

les nouvelles mesures de rapport de fréquence du NIST, lors de l'enregistrement, ne sont pas encore très bons. Mais l'équipe de recherche travaille sur l'amélioration de la stabilité des mesures et des performances d'horloge, dit Hume.

Au-delà de leur rôle dans la prochaine génération de normes internationales, les horloges atomiques optiques peuvent être utilisées comme sondes sensibles pour la nouvelle physique, comme la "matière noire" censée constituer la plupart des éléments de l'univers. Les applications technologiques des horloges optiques comprennent l'amélioration des systèmes de synchronisation et de navigation et la mesure de la forme gravitationnelle de la Terre (géodésie).