Une horloge atomique est une horloge très précise qui utilise les vibrations naturelles des atomes, en particulier des atomes de césium 133, comme référence pour mesurer le temps. Son fonctionnement repose sur le principe de la résonance atomique.

Principe de fonctionnement d'une horloge atomique :

1. Atomes de césium :

Les horloges atomiques utilisent la fréquence de transition de l'atome de césium 133. Les atomes de césium sont choisis car ils présentent des oscillations de fréquence très stables et précises.

2. Rayonnement micro-ondes :

L'appareil horloge comprend une cavité micro-ondes contenant des atomes de césium. Des micro-ondes de fréquences spécifiques traversent la cavité.

3. Résonance atomique :

Lorsque la fréquence des micro-ondes correspond à la fréquence de résonance naturelle des atomes de césium 133 (environ 9 192 631 770 cycles par seconde), les atomes absorbent de l’énergie et passent d’un état énergétique inférieur à un état énergétique supérieur.

4. Mesure de fréquence :

La fréquence du rayonnement micro-onde qui provoque cette transition est mesurée avec précision à l'aide de circuits électroniques et comparée à la fréquence de référence.

5. Étalons de fréquence :

Le Système international d'unités (SI) définit une seconde comme la durée de 9 192 631 770 cycles de cette transition particulière du césium 133. Cette norme établie garantit que les horloges atomiques gardent une heure exceptionnellement précise.

6. Synchronisation de l'horloge atomique :

Les horloges atomiques peuvent être synchronisées entre elles grâce à des signaux transmis via diverses méthodes, notamment les satellites GPS (Global Positioning System) ou les réseaux de communication spécialisés.

La précision remarquable des horloges atomiques les a rendues cruciales dans la recherche scientifique, la navigation, les systèmes de communication et d’autres applications où une chronométrage précis est essentiel.