Comment fonctionne une horloge atomique ?
Le principe du fonctionnement d’une horloge atomique repose sur le principe d’un aspect de la physique quantique qui implique qu’un atome peut subsister sous différentes formes et niveaux d’énergie qui sont quantifiés très précisément grâce à l’atome en lui-même qui peut prendre des valeurs très précises, différents atomes peuvent être utilisés comme le césium, l’hydrogène, etc…
Le fonctionnement d’une horloge atomique peut paraitre compliqué mais on peut tenter de l’expliquer le plus simplement possible, la première étape d’une horloge atomique consiste à ce qu’un oscillateur à quartz émet un signal électrique adoptant une fréquence de 10 mégahertz et grâce à un dispositif électronique, cette fréquence de base est multipliée pour obtenir un signal dont la fréquence exacte vaut 9.192.631.770 Hertz qui est l’étage multiplicateur de fréquence.
Ce signal rendu à très haute fréquence est injecté dans un guide d’onde disposant d’une géométrie particulière qui permet d’entretenir une résonance ou cavité de Ramsey puis un jet d’atomes de césium 133 fournis dans plusieurs états d’énergie sont envoyés par un four pour ensuite être déviés par un système de déflexion magnétique.
Si la fréquence injectée dans la cavité de Ramsey est parfaitement identique à la valeur précédente de 9.192.631.770 Hertz, plusieurs atomes passent par la phase d’interrogation et donc d’un état à un autre.
Un second système de déflexion magnétique sépare la direction des atomes dans l’étage de sélection de sortie puis un détecteur qui est placé sur le trajet des atomes d’un des deux états compte le nombre d’atomes reçus, il s’agit de l’étage de détection.
En fonction des éléments transmis par le détecteur, un système modifie la fréquence du quartz afin que le nombre d’atomes détectés dans le deuxième état soient maximal et on parle alors de la boucle d’asservissement.
L’explication du fonctionnement d’une horloge atomique peut être fortement simplifiée par l’intervention d’un schéma explicite et explicatif.