Les horloges atomiques sont cruciales pour la vie quotidienne car elles aident nos télécommunications, nos réseaux électriques, nos systèmes GPS, nos transports et d’autres processus dans le monde entier à conserver une heure précise. Certaines de ces horloges utilisent des lasers et des cavités résonnantes spéciales pour mesurer les intervalles de temps. Elles font partie des horloges les plus précises au monde et les plus fragiles.
Les horloges atomiques au césium jouent un rôle conséquent, car une transition atomique spécifique induite dans le césium atomique est utilisée pour définir l’unité de temps : la seconde SI. Les laboratoires du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, au Colorado, ont abrité des horloges atomiques, dont le horloge atomique au césium NIST-F1 qui sert de principal étalon de temps et de fréquence aux États-Unis – pendant des décennies, alors que les chercheurs continuent d’améliorer la précision des horloges grâce à des recherches de pointe. Pour l’horloge au césium NIST-F1 en particulier, ce processus a inclus la reconstruction de certaines parties de l’horloge.
L’horloge NIST-F1 est également appelée « horloge fontaine » en raison du mouvement en forme de fontaine des atomes de césium à l’intérieur de l’horloge qui est utilisée pour mesurer les intervalles de temps. Ces atomes de césium commencent dans une chambre à vide spéciale, où six faisceaux laser infrarouge rassemblent les atomes en vol libre dans une boule. Lors de la création de cette boule, le système est refroidi au voisinage du zéro absolu (zéro Kelvin) pour ralentir le mouvement des atomes.
Après refroidissement, deux lasers verticaux lancent la boule d’atomes de césium dans un arc ascendant (la « fontaine »), puis tous les faisceaux laser sont coupés. La boule de césium se déplace vers le haut sur environ un mètre dans une cavité spéciale remplie de micro-ondes, ce qui peut altérer certains des atomes à l’intérieur de la boule. La balle tombe alors, et encore une fois, le champ de micro-ondes peut interagir avec les atomes, provoquant le changement d’état d’un plus grand nombre d’entre eux. L’état atomique final est déterminé en mesurant la fluorescence des atomes altérés induite par un autre faisceau laser.
L’ensemble du processus prend environ une seconde et est répété plusieurs fois pour trouver la bonne fréquence qui excite la transition d’horloge spécifique des atomes de césium. Une fois la fréquence micro-onde trouvée, à laquelle le signal micro-onde interagissant avec les atomes de césium ferait en sorte qu’un maximum d’entre eux changent d’état (à fluorescence maximale), cette fréquence est ensuite utilisée pour définir une seconde de temps en comptant exactement 9 192 631 770 signal périodes (trouvé par les scientifiques) avec un compteur. Cette définition est ensuite appliquée à d’autres horloges pour l’étalonnage et le chronométrage précis.
La cavité micro-ondes est un élément crucial du processus de chronométrage, et les chercheurs du NIST espéraient améliorer la précision de l’horloge en reconstruisant toute la cavité. « Nous avions des problèmes avec la cavité d’horloge précédente qui limitaient la précision de l’horloge », a expliqué le scientifique du NIST Vladislav « Vladi » Gerginov. « L’un des problèmes était lié au matériau de la cavité (aluminium). »
Comme les horloges atomiques sont extrêmement sensibles aux imperfections de la forme de la cavité, de la conductivité électrique et du polissage, les matériaux de la cavité doivent être faits du bon matériau et avoir la forme, la taille et la finition exactes pour minimiser les imprécisions de l’horloge. « L’une des étapes cruciales de la construction d’une horloge au césium consiste à régler la fréquence de la cavité pour qu’elle corresponde à la fréquence de transition du césium », a expliqué le fabricant d’instruments Calvin Schwadron du JILA (un institut conjoint entre le NIST et l’Université du Colorado à Boulder). « La fréquence à laquelle une cavité micro-onde résonne dépend du volume à l’intérieur de celle-ci. »
Pour ce faire, les chercheurs se sont appuyés sur l’expertise d’un JILA. Selon Curtis Beimborn, responsable du laboratoire de métrologie WM Keck et de la salle blanche au JILA, « La qualité de la cavité (Q) est très importante pour améliorer les performances de l’horloge. »
Pour augmenter le Q de la cavité, Gerginov a collaboré avec les ateliers de machines et d’instruments de JILA, en utilisant l’atelier d’instruments et la salle blanche pour construire la nouvelle cavité micro-ondes en cuivre. « Il est incroyablement rare d’avoir une collaboration complète en atelier comme celle-ci », a déclaré le fabricant d’instruments JILA Adam Ellzey. assurez-vous que nos pièces s’adaptent et que nos conceptions correspondent. La fabrication des composants d’une horloge qui sera la norme de temps de la nation est une grosse affaire qui a demandé une réelle réflexion. C’est incroyable de voir mes collègues fabricants d’instruments fléchir leur expertise. J’ai appris un tonne. »
Les magasins d’instruments JILA sont un facteur clé pour faire de JILA une institution de recherche unique. Selon Kyle Thatcher, responsable de l’atelier d’instruments, « La véritable valeur de l’atelier d’instruments JILA est que les scientifiques ont la possibilité de travailler directement avec les fabricants d’instruments pour réaliser leur appareil expérimental. Cela signifie que dès la conception, les scientifiques peuvent collaborer sur la conception, l’ingénierie, la fabrication et les tests de leur appareil en utilisant les vastes connaissances institutionnelles accumulées du magasin. De plus, avec la politique de porte ouverte du magasin d’instruments et sa proximité [in the building for the case of JILA]permet un développement itératif, un dépannage et une modification de périphérique très rapides [and] réparation. »
Ce processus de collaboration étroite entre scientifiques et fabricants d’instruments est plutôt rare dans la plupart des institutions de recherche, car traditionnellement, les fabricants d’instruments travaillent à partir de conceptions fournies par les scientifiques avec très peu d’allers-retours, comme l’a expliqué Thatcher. Chez JILA, la collaboration entre les ateliers internes et les scientifiques permet de fabriquer des instruments sur mesure que l’on ne trouve nulle part ailleurs. Cela inclut les pièces de l’horloge au césium NIST-F1.
« The Instrument Shop a pu travailler avec Vladi et son collègue pour aider à optimiser les fonctionnalités critiques du système, notamment la sélection des matériaux, la réduction des composants, la facilité d’entretien et la conception pour la fabrication », a expliqué Thatcher. « Le plus important, cependant, était la capacité de Vladi à installer son équipement de test du NIST dans l’atelier où il a pu, pratiquement en temps réel, quantifier les performances des pièces en cours de fabrication, permettant ainsi aux processus de fabrication d’être modifiés. la mouche améliore les résultats. »
Le processus de création d’une nouvelle cavité impliquait de nombreuses étapes différentes, y compris un va-et-vient continu entre Gerginov et les machinistes sur la conception de la cavité. Après les premiers tests de la nouvelle cavité en cuivre, le Q était environ un facteur trois inférieur à ce qui était attendu et Vladi soupçonnait que la finition de la surface métallique à l’intérieur de la cavité pourrait être le coupable puisque les courants de fréquence micro-onde sont confinés à la surface du métal. , au lieu de voyager à travers la masse [walls].
« Calvin et Vladi l’ont apporté au laboratoire de métrologie optique, et j’ai mesuré la rugosité de surface pour eux à l’aide de notre profilomètre optique », a déclaré Beimborn. « Bien sûr, la rugosité était suffisamment grande pour que toutes les petites imperfections de surface ajoutent beaucoup à la distance parcourue par les courants de fréquence micro-ondes dans la cavité, ce qui a diminué le facteur Q. Après cette mesure, Calvin a poli l’intérieur de la cavité. et je crois que Vladi a tout de suite vu un facteur de deux améliorations dans le Q. »
Grâce à l’étroite collaboration du NIST avec JILA, la nouvelle cavité aidera à remettre l’horloge au césium NIST-F1 au travail. Comme l’a déclaré Elizabeth Donley, chef de la division temps et fréquence du NIST : « L’usinage des cavités dans l’atelier JILA a été une partie très importante du travail pour remettre la fontaine en ligne et nous en sommes très reconnaissants. C’est formidable d’avoir le La boutique JILA est une ressource locale précieuse. »
Avec l’horloge en marche, les chercheurs du NIST peuvent continuer à travailler pour repousser les limites de la physique de l’horloge atomique. « L’horloge sera utilisée au NIST pour calibrer l’échelle de temps officielle du NIST, ainsi que d’autres horloges atomiques et références de fréquence », a ajouté Gerginov.