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Horloge atomique
par Mhz Sam 27 Avr - 20:57
Une horloge atomique est une horloge qui mesure le temps en surveillant la fréquence de résonance des atomes.
Il est basé sur des atomes ayant différents niveaux d'énergie
. Les états électroniques dans un atome sont associés à différents niveaux d’énergie et, lors des transitions entre ces états, ils interagissent avec une fréquence très spécifique de rayonnement électromagnétique . Ce phénomène sert de base à la définition de la seconde par le Système International d'Unités (SI) :
Le second, le symbole s, est l'unité de temps SI. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixe de la fréquence du césium,
Δ
????
Cs
{ displaystyle Delta nu _ {text {Cs}}}, la fréquence de transition hyperfine non perturbée de l'état fondamental de l'atome de césium 133, à9 192 631 770 lorsqu'il est exprimé dans l'unité Hz, qui est égale à s −1 .
Cette définition constitue la base du système de temps atomique international (TAI), qui est maintenu par un ensemble d'horloges atomiques à travers le monde.
Le système de temps universel coordonné (UTC) qui est à la base du temps civil implémente des secondes intercalaires pour permettre à l'horloge de suivre les changements dans la rotation de la Terre à une seconde près tout en étant basé sur des horloges basées sur la définition de la seconde.
Les capacités de chronométrage précis des horloges atomiques sont également utilisées pour la navigation par des réseaux satellitaires tels que le programme Galileo de l'Union européenne et le GPS des États-Unis . La précision du chronométrage des horloges atomiques impliquées est importante car plus l'erreur de mesure du temps est petite, plus l'erreur de distance obtenue en multipliant le temps par la vitesse de la lumière est faible (une erreur de synchronisation d'une nanoseconde ou d'un milliardième de seconde ( 10 −9 ou 1 ⁄ 1 000 000 000 de seconde) se traduit par une distance de près de 30 centimètres (11,8 pouces) et donc une erreur de position).
La principale variété d'horloge atomique utilise des atomes de césium refroidis à des températures proches du zéro absolu . La principale norme aux États-Unis, l' horloge à fontaine à césium du National Institute of Standards and Technology (NIST), nommée NIST-F2 , mesure le temps avec une incertitude de 1 seconde sur 300 millions d'années (incertitude relative10-16 ) . NIST-F2 a été mis en ligne le 3 avril 2014.
Louis Essen (à droite) et Jack Parry (à gauche) debout à côté de la première horloge atomique au césium 133 au monde en 1955, au National Physical Laboratory , à l'ouest de Londres.
Une horloge atomique au césium de 1975 (unité supérieure) et une batterie de secours (unité inférieure)
L'ensemble principal d'horloge atomique de l' Observatoire naval des États-Unis à Washington, DC , qui fournit l'étalon horaire du ministère américain de la Défense. [1] Les unités montées en rack à l'arrière-plan sont des horloges à faisceau de césium Microsemi (anciennement HP) 5071A. Les unités noires au premier plan sont les étalons de maser à hydrogène Microsemi (anciennement Sigma-Tau) MHM-2010.
Il est basé sur des atomes ayant différents niveaux d'énergie
. Les états électroniques dans un atome sont associés à différents niveaux d’énergie et, lors des transitions entre ces états, ils interagissent avec une fréquence très spécifique de rayonnement électromagnétique . Ce phénomène sert de base à la définition de la seconde par le Système International d'Unités (SI) :
Le second, le symbole s, est l'unité de temps SI. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixe de la fréquence du césium,
Δ
????
Cs
{ displaystyle Delta nu _ {text {Cs}}}, la fréquence de transition hyperfine non perturbée de l'état fondamental de l'atome de césium 133, à9 192 631 770 lorsqu'il est exprimé dans l'unité Hz, qui est égale à s −1 .
Cette définition constitue la base du système de temps atomique international (TAI), qui est maintenu par un ensemble d'horloges atomiques à travers le monde.
Le système de temps universel coordonné (UTC) qui est à la base du temps civil implémente des secondes intercalaires pour permettre à l'horloge de suivre les changements dans la rotation de la Terre à une seconde près tout en étant basé sur des horloges basées sur la définition de la seconde.
Les capacités de chronométrage précis des horloges atomiques sont également utilisées pour la navigation par des réseaux satellitaires tels que le programme Galileo de l'Union européenne et le GPS des États-Unis . La précision du chronométrage des horloges atomiques impliquées est importante car plus l'erreur de mesure du temps est petite, plus l'erreur de distance obtenue en multipliant le temps par la vitesse de la lumière est faible (une erreur de synchronisation d'une nanoseconde ou d'un milliardième de seconde ( 10 −9 ou 1 ⁄ 1 000 000 000 de seconde) se traduit par une distance de près de 30 centimètres (11,8 pouces) et donc une erreur de position).
La principale variété d'horloge atomique utilise des atomes de césium refroidis à des températures proches du zéro absolu . La principale norme aux États-Unis, l' horloge à fontaine à césium du National Institute of Standards and Technology (NIST), nommée NIST-F2 , mesure le temps avec une incertitude de 1 seconde sur 300 millions d'années (incertitude relative10-16 ) . NIST-F2 a été mis en ligne le 3 avril 2014.
Louis Essen (à droite) et Jack Parry (à gauche) debout à côté de la première horloge atomique au césium 133 au monde en 1955, au National Physical Laboratory , à l'ouest de Londres.
Une horloge atomique au césium de 1975 (unité supérieure) et une batterie de secours (unité inférieure)
L'ensemble principal d'horloge atomique de l' Observatoire naval des États-Unis à Washington, DC , qui fournit l'étalon horaire du ministère américain de la Défense. [1] Les unités montées en rack à l'arrière-plan sont des horloges à faisceau de césium Microsemi (anciennement HP) 5071A. Les unités noires au premier plan sont les étalons de maser à hydrogène Microsemi (anciennement Sigma-Tau) MHM-2010.
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Re: Horloge atomique
par Mhz Sam 27 Avr - 21:02
Histoire
Le physicien écossais James Clerk Maxwell a proposé de mesurer le temps avec les vibrations des ondes lumineuses dans son Traité sur l'électricité et le magnétisme de 1873 : « Une unité de temps plus universelle pourrait être trouvée en prenant le temps périodique de vibration d'un type particulier de lumière dont la longueur d'onde est l'unité de longueur.' Maxwell a soutenu que cela serait plus précis que la rotation de la Terre , qui définit la seconde solaire moyenne pour le chronométrage.
Au cours des années 1930, le physicien américain Isidor Isaac Rabi a construit des équipements pour les horloges de fréquence à résonance magnétique à faisceau atomique .
La précision des horloges mécaniques, électromécaniques et à quartz est réduite par les fluctuations de température. Cela a conduit à l'idée de mesurer la fréquence des vibrations d'un atome pour donner l'heure avec beaucoup plus de précision, comme l'ont proposé James Clerk Maxwell, Lord Kelvin et Isidor Rabi. [9] Il a proposé le concept en 1945, qui a conduit à une démonstration d'une horloge à base d' ammoniac en 1949.
Cela a conduit à la construction de la première horloge atomique précise et pratique avec des atomes de césium au Laboratoire national de physique du Royaume-Uni. en 1955 par Louis Essen en collaboration avec Jack Parry.
En 1949, Kastler et Brossel ont développé une technique appelée pompage optique pour les transitions de niveau d'énergie électronique dans les atomes en utilisant la lumière.
Cette technique est utile pour créer des signaux de résonance magnétique et d’absorption des micro-ondes beaucoup plus forts.
Malheureusement, cela a provoqué un effet secondaire avec un léger décalage de la fréquence de résonance. Cohen-Tannoudji et d'autres ont réussi à réduire les déplacements de lumière à des niveaux acceptables.
Ramsey a développé une méthode, communément appelée aujourd'hui interférométrie de Ramsey , pour des fréquences plus élevées et des résonances plus étroites dans les champs oscillants. Kolsky, Phipps, Ramsey et Silsbee ont utilisé cette technique pour la spectroscopie à jets moléculaires en 1950.
Après 1956, les horloges atomiques ont été étudiées par de nombreux groupes, tels que le National Institute of Standards and Technology (anciennement National Bureau of Standards) aux États-Unis, le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne, le National Research Council (NRC) au Canada, le National Physical Laboratory au Royaume-Uni, l' International Time Bureau ( français : Bureau International de l'Heure , en abrégé BIH), l' Observatoire de Paris , la National Radio Company , Bomac, Varian , Hewlett-Packard et Frequency & Time Systèmes.
Au cours des années 1950, la National Radio Company a vendu plus de 50 unités de la première horloge atomique, l' Atomichron . En 1964, les ingénieurs de Hewlett-Packard ont lancé le modèle 5060 d'horloges à césium montées en rack. [9]
la
En 1968, la durée de la seconde a été définie comme étant9 192 631 770 vibrations de la fréquence de transition hyperfine non perturbée de l’état fondamental de l’atome de césium 133.
Avant cela, il était défini par l'existence31 556 925,9747 secondes au cours de l' année tropicale 1900. La définition de 1968 a été mise à jour en 2019 pour refléter les nouvelles définitions de l' ampère , du kelvin , du kilogramme et de la mole décidées lors de la redéfinition de 2019 du Système international d'unités .
Les chercheurs en chronométrie travaillent actuellement au développement d'une référence atomique encore plus stable pour la seconde, avec l'intention de trouver une définition plus précise de la seconde à mesure que les horloges atomiques s'améliorent sur la base des horloges optiques ou de la constante de Rydberg vers 2030
Le physicien écossais James Clerk Maxwell a proposé de mesurer le temps avec les vibrations des ondes lumineuses dans son Traité sur l'électricité et le magnétisme de 1873 : « Une unité de temps plus universelle pourrait être trouvée en prenant le temps périodique de vibration d'un type particulier de lumière dont la longueur d'onde est l'unité de longueur.' Maxwell a soutenu que cela serait plus précis que la rotation de la Terre , qui définit la seconde solaire moyenne pour le chronométrage.
Au cours des années 1930, le physicien américain Isidor Isaac Rabi a construit des équipements pour les horloges de fréquence à résonance magnétique à faisceau atomique .
La précision des horloges mécaniques, électromécaniques et à quartz est réduite par les fluctuations de température. Cela a conduit à l'idée de mesurer la fréquence des vibrations d'un atome pour donner l'heure avec beaucoup plus de précision, comme l'ont proposé James Clerk Maxwell, Lord Kelvin et Isidor Rabi. [9] Il a proposé le concept en 1945, qui a conduit à une démonstration d'une horloge à base d' ammoniac en 1949.
Cela a conduit à la construction de la première horloge atomique précise et pratique avec des atomes de césium au Laboratoire national de physique du Royaume-Uni. en 1955 par Louis Essen en collaboration avec Jack Parry.
En 1949, Kastler et Brossel ont développé une technique appelée pompage optique pour les transitions de niveau d'énergie électronique dans les atomes en utilisant la lumière.
Cette technique est utile pour créer des signaux de résonance magnétique et d’absorption des micro-ondes beaucoup plus forts.
Malheureusement, cela a provoqué un effet secondaire avec un léger décalage de la fréquence de résonance. Cohen-Tannoudji et d'autres ont réussi à réduire les déplacements de lumière à des niveaux acceptables.
Ramsey a développé une méthode, communément appelée aujourd'hui interférométrie de Ramsey , pour des fréquences plus élevées et des résonances plus étroites dans les champs oscillants. Kolsky, Phipps, Ramsey et Silsbee ont utilisé cette technique pour la spectroscopie à jets moléculaires en 1950.
Après 1956, les horloges atomiques ont été étudiées par de nombreux groupes, tels que le National Institute of Standards and Technology (anciennement National Bureau of Standards) aux États-Unis, le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne, le National Research Council (NRC) au Canada, le National Physical Laboratory au Royaume-Uni, l' International Time Bureau ( français : Bureau International de l'Heure , en abrégé BIH), l' Observatoire de Paris , la National Radio Company , Bomac, Varian , Hewlett-Packard et Frequency & Time Systèmes.
Au cours des années 1950, la National Radio Company a vendu plus de 50 unités de la première horloge atomique, l' Atomichron . En 1964, les ingénieurs de Hewlett-Packard ont lancé le modèle 5060 d'horloges à césium montées en rack. [9]
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En 1968, la durée de la seconde a été définie comme étant9 192 631 770 vibrations de la fréquence de transition hyperfine non perturbée de l’état fondamental de l’atome de césium 133.
Avant cela, il était défini par l'existence31 556 925,9747 secondes au cours de l' année tropicale 1900. La définition de 1968 a été mise à jour en 2019 pour refléter les nouvelles définitions de l' ampère , du kelvin , du kilogramme et de la mole décidées lors de la redéfinition de 2019 du Système international d'unités .
Les chercheurs en chronométrie travaillent actuellement au développement d'une référence atomique encore plus stable pour la seconde, avec l'intention de trouver une définition plus précise de la seconde à mesure que les horloges atomiques s'améliorent sur la base des horloges optiques ou de la constante de Rydberg vers 2030
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Re: Horloge atomique
par Mhz Sam 27 Avr - 21:05
Vers une production d'horloges atomiques miniatures à échelle industrielle
L’utilisation d’horloges atomiques miniatures commence à se généraliser, la recherche améliorant sans cesse la réduction d’échelle. Véritables références de temps, ces appareils comptent les secondes avec une extrême précision grâce à l’oscillation d’atomes de césium, un élément qui évolue de manière extrêmement stable.
Pour fonctionner, le cœur de l’horloge, constitué d’une microcellule contenant de la vapeur de césium, doit être excité par le faisceau d’une diode laser modulée en fréquence. Les horloges atomiques actuelles sont beaucoup plus précises, stables et performantes que les oscillateurs à quartz usuels : l’objectif de leur miniaturisation est de disposer d’un objet moins coûteux en production et en énergie afin de permettre leur déploiement dans des applications portables.
Leur intégration dans de nombreux systèmes pourrait participer à l’amélioration de la synchronisation des réseaux électriques, bancaires ou de télécommunication. L’exploitation de ces appareils miniatures laisse également entrevoir de nouveaux usages civils ou militaires, liés à la sécurité ou à la géolocalisation, notamment pour coordonner les systèmes n’ayant pas accès à la référence délivrée par le GPS (comme les dispositifs de prospection pétrolière ou les communications militaires dans des environnements brouillés).
C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’institut FEMTO-ST*, en collaboration avec le laboratoire Systèmes de référence temps-espace (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais, ont mis au point une nouvelle architecture de cellule au cœur des horloges atomiques miniatures contenant le césium, adaptée à une valorisation industrielle.
La base de cette nouvelle architecture : une cellule allongée équipée de réseaux de diffraction pour conduire la lumière au cœur du dispositif. La géométrie atypique de l’objet due aux contraintes de micro-fabrication a montré d’excellentes performances, avec un volume de vapeur de césium pourtant deux fois plus faible que les micro-appareils conventionnels ! Des centaines de dispositifs pourraient être produits, comme pour la microélectronique, réduisant ainsi fortement les coûts de fabrication.
L’utilisation d’horloges atomiques miniatures commence à se généraliser, la recherche améliorant sans cesse la réduction d’échelle. Véritables références de temps, ces appareils comptent les secondes avec une extrême précision grâce à l’oscillation d’atomes de césium, un élément qui évolue de manière extrêmement stable.
Pour fonctionner, le cœur de l’horloge, constitué d’une microcellule contenant de la vapeur de césium, doit être excité par le faisceau d’une diode laser modulée en fréquence. Les horloges atomiques actuelles sont beaucoup plus précises, stables et performantes que les oscillateurs à quartz usuels : l’objectif de leur miniaturisation est de disposer d’un objet moins coûteux en production et en énergie afin de permettre leur déploiement dans des applications portables.
Leur intégration dans de nombreux systèmes pourrait participer à l’amélioration de la synchronisation des réseaux électriques, bancaires ou de télécommunication. L’exploitation de ces appareils miniatures laisse également entrevoir de nouveaux usages civils ou militaires, liés à la sécurité ou à la géolocalisation, notamment pour coordonner les systèmes n’ayant pas accès à la référence délivrée par le GPS (comme les dispositifs de prospection pétrolière ou les communications militaires dans des environnements brouillés).
C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’institut FEMTO-ST*, en collaboration avec le laboratoire Systèmes de référence temps-espace (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais, ont mis au point une nouvelle architecture de cellule au cœur des horloges atomiques miniatures contenant le césium, adaptée à une valorisation industrielle.
La base de cette nouvelle architecture : une cellule allongée équipée de réseaux de diffraction pour conduire la lumière au cœur du dispositif. La géométrie atypique de l’objet due aux contraintes de micro-fabrication a montré d’excellentes performances, avec un volume de vapeur de césium pourtant deux fois plus faible que les micro-appareils conventionnels ! Des centaines de dispositifs pourraient être produits, comme pour la microélectronique, réduisant ainsi fortement les coûts de fabrication.
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