Les horloges sur terre tournent un peu plus régulièrement grâce à NIST-F4, une nouvelle horloge atomique au campus du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, Colorado.
Ce mois-ci, les chercheurs de NIST ont publié un article dans Métrologie Établir le NIST-F4 comme l'un des chronométreurs les plus précis au monde. NIST a également soumis l'horloge pour accepter en tant que principale norme de fréquence par le Bureau international des poids et mesures (BIPM), l'organisme qui supervise le temps du monde.
Le NIST-F4 mesure une fréquence immuable au cœur des atomes de césium, la base internationale contenue internationalement pour définir la seconde depuis 1967. L'horloge est basée sur une conception de « fontaine » qui représente l'étalon-or de précision du chronométrage. NIST-F4 coche à un rythme si constant que si elle avait commencé à courir il y a 100 millions d'années, lorsque les dinosaures erraient, il serait désactivé de moins d'une seconde aujourd'hui.
En rejoignant un petit groupe de montres d'élite similaires gérées par seulement 10 pays à travers le monde, le NIST-F4 rend le fondement de Global Time plus stable et sécurisé. Dans le même temps, cela aide à diriger les horloges que NIST utilise pour garder le temps officiel des États-Unis. Distribué par radio et Internet, le temps officiel des États-Unis est essentiel pour les télécommunications et les systèmes de transport, les plateformes de négociation financière, les opérations du centre de données et plus encore.
Le NIST-F4 a amélioré les signaux temporels qui sont « utilisés littéralement des milliards de fois par jour pour tout, de la fixation d'horloges et de montres à assurer la période de temps précise de centaines de milliards de dollars de transactions financières électroniques », a déclaré Liz Donley, chef de la division Time and Frequency à NIST.
Un type spécial d'horloge
Les horloges de fontaine de césium telles que NIST-F4 sont un type d'horloge atomique – un dispositif complexe et de haute précision qui extrait les impulsions de synchronisation des atomes. Ces horloges jouent un rôle essentiel dans notre société à l'échelle mondiale: elles servent de «normes de fréquence primaires» qui fonctionnent ensemble pour calibrer le temps universel coordonné, ou UTC (un système convenu pour garder le temps à utiliser les données des horloges atomiques du monde entier, connues sous le nom de balance de temps).
Les laboratoires de mesure nationaux tels que les NIST produisent et distribuent des versions de l'UTC en utilisant leurs propres échelles de temps; La version de NIST, par exemple, est connue sous le nom de UTC (NIST). Ces échelles de temps nationales sont ensuite utilisées pour synchroniser les horloges et les réseaux sur lesquels nous comptons dans notre vie quotidienne.
Dans les horloges des fontaines, un nuage de milliers d'atomes de césium est d'abord refroidi à presque zéro absolu à l'aide de lasers. Ensuite, une paire de faisceaux laser jette les atomes doucement vers le haut, après quoi ils tombent sous leur propre poids.
Pendant leur voyage, les atomes passent deux fois dans une petite chambre pleine de rayonnement micro-ondes. La première fois, alors que les atomes sont en train de monter, les micro-ondes ont mis les atomes dans un état quantique qui cycle dans le temps à une fréquence spéciale connue sous le nom de fréquence de résonance du césium – une constante inchangante définie par les lois de la nature.
Environ une seconde plus tard, alors que les atomes retombent, une seconde interaction entre les micro-ondes et les atomes révèle à quel point la fréquence des micro-ondes de l'horloge est proche de la fréquence de résonance naturelle des atomes. Cette mesure est utilisée pour régler la fréquence des micro-ondes vers la fréquence de résonance atomique.
Un détecteur compte ensuite 9 192 631 770 cycles d'onde des micro-ondes affinés. Le temps nécessaire pour compter ces cycles définit la seconde internationale officielle.
(Cela peut changer dès 2030, lorsque les nations prévoient d'envisager de redéfinir la seconde en termes d'éléments atomiques différents utilisés dans les horloges dites optiques qui peuvent mesurer le temps encore plus précisément que les horloges de fontaine ne le peuvent.
Un voyage des années dans la fabrication
Moins de 20 fontaines au césium fonctionnent partout dans le monde. Contrairement aux horloges atomiques disponibles dans le commerce qui cochent des secondes pour les centres de données Internet, les marchés boursiers et autres entreprises privées, presque toutes les horloges de la fontaine sont construites et exploitées par des scientifiques d'un laboratoire de mesure national comme le NIST.
« C'est une belle technologie qui présente de véritables avantages de performance, mais c'est très délicat », a déclaré Greg Hoth, un physicien de la NIST dans l'équipe Clock.
Obtenir le NIST-F4 admis dans ce club raréfié a été un voyage des années en préparation. Les scientifiques du NIST ont construit la première horloge de la fontaine de l'agence, NIST-F1, à la fin des années 1990. Le NIST-F1 a couru pendant plus d'une décennie et demi et a été utilisé pour effectuer des étalonnages de fréquence réguliers. Mais les horloges des fontaines peuvent être aussi fragiles que précises, et après un déménagement dans un nouveau bâtiment en 2016, l'horloge a dû être restaurée et soigneusement testée pour fonctionner à nouveau comme une norme de fréquence principale – un processus qui a pris plus de temps que prévu.
En 2020, le physicien Vladislav Gerginov a commencé à étudier les mesures de fréquence du NIST-F1. Finalement, lui, Hoth et ses collègues ont décidé de reconstruire le noyau de l'horloge – la cavité micro-ondes, où les atomes de césium sont mesurés, de la rayure. Pour atteindre la précision nécessaire, ils avaient besoin d'atteindre des tolérances de 5 à 10 microns, – à peu près un cinquième de la largeur des cheveux humains.
Les scientifiques ont ajouté et affiné de nouvelles bobines de chauffage électrique, des bobines magnétiques, des optiques et des composants micro-ondes. L'équipe NIST a décidé de nommer la nouvelle fontaine NIST-F4. (NIST a construit deux autres horloges de fontaine, NIST-F2 et NIST-F3, faisant de NIST-F4 le quatrième de la série.)
L'équipe de recherche a pris des mois de mesures pour s'assurer que le NIST-F4 n'a pas été rejeté par des facteurs tels que des fluctuations de pression et de température ou des champs électriques et magnétiques. Ils ont comparé les tiques de la fontaine à celles des masers d'hydrogène – les horloges atomiques du cheval de bataille qui cochent les secondes pour le temps officiel des États-Unis – pour s'assurer qu'ils gardaient un rythme stable et immuable.
« Les horloges des fontaines sont censées être très ennuyeuses », a déclaré Hoth.
L'évaluation d'une horloge de fontaine comme le NIST-F4 « est un processus lent car nous devons être très conservateurs », a déclaré Gerginov. « Nous devons tout savoir » avant de le mettre en service, a-t-il dit, car toute erreur dans les signaux de synchronisation pourrait corrompre non seulement le temps américain mais aussi l'infrastructure mondiale de chronométrage.
Ce mois-ci, l'équipe NIST a indiqué que les mesures de fréquence du NIST-F4 étaient exactes à 2,2 parties en 10 au 16e (10 millions de milliards) – comparables aux meilleures horloges de fontaine du monde. L'équipe NIST a également envoyé les données de l'horloge au BIPM, où une équipe d'experts le vérifie avant que BIPM ne certifie officiellement l'horloge comme norme de fréquence principale.
« Le succès du NIST-F4 a renouvelé le leadership mondial de la NIST dans les normes de fréquence primaire », a déclaré Donley. « Vladi et Greg ont utilisé l'ingéniosité et les compétences pour restaurer le fonctionnement fiable de classe mondiale des fontaines atomiques de NIST. »
NIST-F4 et une deuxième horloge de fontaine, NIST-F3, fonctionnent environ 90% du temps, avec au moins une des horloges fonctionnant à tout moment. Les données du NIST-F4 seront envoyées périodiquement à BIPM pour calibrer UTC, et les deux horloges contribuent déjà à diriger l'UTC à l'échelle du temps NIST (NIST).
L'échelle du temps NIST « a déjà considérablement bénéficié de la hausse élevée de la fontaine et de la fiabilité de ses performances », a déclaré Donley.
