Ce qui ressemble à une photo aérienne d'un paysage extraterrestre est en réalité une vue au microscope électronique à balayage d'une surface de verre d'essai, acquise dans le cadre d'un projet visant à améliorer la durée de vie des horloges atomiques spatiales, trouvées au cœur des satellites de navigation. Chaque élément gravé au plasma visible ici mesure moins de 10 micromètres, soit un centième de millimètre.

Les horloges atomiques très précises reposent sur des commutations entre les états énergétiques de la couche électronique d'un atome, induites par la lumière, l'énergie laser ou maser. Forcer les atomes à passer d'un état énergétique à un autre provoque l'émission d'un signal micro-onde associé à une fréquence extrêmement stable.

Pour prendre l’exemple du maser à hydrogène passif – qui sert d’horloge maîtresse à bord de chaque satellite Galileo, gardant l’heure avec une précision estimée à une seconde tous les trois millions d’années – un élément clé est le confinement plasmatique en forme d’ampoule de verre à l’intérieur duquel les molécules d’hydrogène sont dissocié en atomes. Mais la gravure chimique et d'autres interactions entre le plasma d'hydrogène et les parois intérieures du verre peuvent éventuellement dégrader l'ampoule, affectant la durabilité du processus de décharge.

Cette image microscopique montre les résultats, avec les motifs coniques provoqués par les mécanismes de gravure et les effets plasma associés. Il a été acquis dans le cadre d'un projet Technology Development Element de l'ESA avec Safran (anciennement Orolia), visant à caractériser ces effets pour améliorer la fiabilité des horloges atomiques pour l'espace.

La navigation par satellite repose sur un chronométrage très précis, car le positionnement est calculé sur la base des temps de parcours du signal multipliés par la vitesse de la lumière.

Des versions améliorées de maser à hydrogène passif et d'horloges atomiques de secours au rubidium ont été conçues pour les nouveaux satellites européens Galileo de deuxième génération.

La stabilité temporelle est également de plus en plus importante pour les télécommunications par satellite, avec le passage à des fréquences plus élevées offrant des débits de données plus élevés mais nécessitant à son tour une synchronisation temporelle précise, pour laquelle des horloges atomiques de plus petite taille sont prises en compte.

Fourni par l'Agence spatiale européenne