Horloge optique

Une horloge optique est une horloge qui utilise la lumière pour suivre le temps. Elle diffère d'une horloge atomique en ce qu'elle utilise la lumière visible plutôt que les micro-ondes . Plusieurs éléments chimiques ont été étudiés pour une éventuelle utilisation dans les horloges optiques. Il s'agit notamment de l'aluminium , du mercure , du strontium , de l'indium , du magnésium , du calcium , de l'ytterbium et du thorium . Le concept d'horloge optique est né de John L. Hall et de Theodor W. Hansch , qui ont remporté ensemble le prix Nobel de physique en 2005.

Le développement des peignes de fréquence femtoseconde et des réseaux optiques a conduit à une nouvelle génération d'horloges atomiques. Ces horloges sont basées sur des transitions atomiques qui émettent de la lumière visible au lieu de micro-ondes . Un obstacle majeur au développement d'une horloge optique est la difficulté de mesurer directement les fréquences optiques. Ce problème a été résolu avec le développement de lasers à verrouillage de mode auto-référencés, communément appelés peignes de fréquence femtoseconde. Avant la démonstration du peigne de fréquence en 2000, les techniques térahertz étaient nécessaires pour combler l'écart entre les fréquences radio et optiques, et les systèmes pour le faire étaient lourds et compliqués. Avec le raffinement du peigne de fréquence, ces mesures sont devenues beaucoup plus accessibles et de nombreux systèmes d'horloge optique sont maintenant développés dans le monde entier.

Comme dans le domaine radio, la spectroscopie d'absorption est utilisée pour stabiliser un oscillateur, dans ce cas un laser. Lorsque la fréquence optique est divisée en une fréquence radio dénombrable à l'aide d'un peigne femtoseconde , la bande passante du bruit de phase est également divisée par ce facteur. Bien que la bande passante du bruit de phase laser soit généralement supérieure à celle des sources micro-ondes stables, elle est inférieure après division.

Les principaux systèmes envisagés pour une utilisation dans les normes de fréquence optique sont :

• ions simples isolés dans un piège à ions ;
• atomes neutres piégés dans un réseau optique et
• atomes emballés dans un réseau optique de gaz quantique tridimensionnel.

Ces techniques permettent d'isoler fortement les atomes ou les ions des perturbations externes, produisant ainsi une référence de fréquence extrêmement stable. Des lasers et des pièges magnéto-optiques sont utilisés pour refroidir les atomes afin d'améliorer la précision.

Les systèmes atomiques étudiés comprennent Al ⁺ , Hg ^+/2+ , Hg , Sr , Sr ^+/2+ , In ^+/3+ , Mg , Ca , Ca ⁺ , Yb ^+/2+/3+ , Yb et Th ^+/3+ . rayonnement électromagnétique d'une horloge dépend de l'élément qui est stimulé. Par exemple, les horloges optiques au calcium résonnent lorsque de la lumière rouge est produite, et les horloges à ytterbium résonnent en présence de lumière violette.

L'élément de terre rare ytterbium (Yb) est apprécié non pas tant pour ses propriétés mécaniques mais pour son complément de niveaux d'énergie interne. « Une transition particulière dans les atomes d'Yb, à une longueur d'onde de 578 nm, fournit actuellement l'un des étalons de fréquence atomique optique les plus précis au monde », a déclaré Marianna Safronova. L'incertitude estimée obtenue correspond à environ une seconde sur la durée de vie de l'univers jusqu'à présent, 15 milliards d'années, selon des scientifiques du Joint Quantum Institute (JQI) et de l' Université du Delaware en décembre 2012.

L'idée de piéger des atomes dans un réseau optique à l'aide de lasers a été proposée par le physicien russe Vladilen Letokhov dans les années 1960.

Le passage théorique des micro-ondes comme « échappatoire » atomique des horloges à la lumière dans la gamme optique, plus difficile à mesurer mais offrant de meilleures performances, a valu à John L. Hall et Theodor W. Hänsch le prix Nobel de physique en 2005. L'un des lauréats du prix Nobel de physique de 2012, David J. Wineland , est un pionnier de l'exploitation des propriétés d'un seul ion maintenu dans un piège pour développer des horloges de la plus haute stabilité. Le développement de la première horloge optique a commencé au National Institute of Standards and Technology en 2000 et s'est terminé en 2006.

En 2013, les horloges à réseau optique (OLC) se sont révélées aussi performantes, voire meilleures, que les horloges à fontaine à césium. Deux horloges à réseau optique contenant environ10 000 atomes de strontium-87 ont pu rester synchronisés les uns avec les autres avec une précision d'au moins1,5 × 10 ⁻¹⁶ , ce qui est la précision maximale que l'expérience a pu mesurer. Il a été démontré que ces horloges pouvaient suivre le rythme des trois horloges à fontaine à césium de l' Observatoire de Paris . Il y a deux raisons à cette précision potentiellement meilleure. Tout d'abord, la fréquence est mesurée à l'aide de la lumière, qui a une fréquence beaucoup plus élevée que les micro-ondes, et deuxièmement, en utilisant de nombreux atomes, toute erreur est moyennée.

En utilisant des atomes d'ytterbium-171 , un nouveau record de stabilité avec une précision de1,6 × 10 ⁻¹⁸ sur une période de 7 heures a été publiée le 22 août 2013. À cette stabilité, les deux horloges à réseau optique fonctionnant indépendamment l'une de l'autre utilisées par l' équipe de recherche du NIST différeraient de moins d'une seconde sur l' âge de l'univers (13,8 × 10 ⁹ ans ) ; c'est 10 fois mieux que les expériences précédentes. Les horloges reposent sur 10 000 atomes d'ytterbium refroidis à 10 microkelvins et piégés dans un réseau optique. Un laser à 578 nm excite les atomes entre deux de leurs niveaux d'énergie. Après avoir établi la stabilité des horloges, les chercheurs étudient les influences externes et évaluent les incertitudes systématiques restantes, dans l'espoir de pouvoir ramener la précision de l'horloge au niveau de sa stabilité. Une horloge à réseau optique améliorée a été décrite dans un article de Nature de 2014.

En 2015, JILA a évalué l'incertitude de fréquence absolue d'une horloge à réseau optique en strontium-87 à2,1 × 10 ⁻¹⁸ , ce qui correspond à une dilatation temporelle gravitationnelle mesurable pour un changement d'altitude de 2 cm (0,79 po) sur la planète Terre qui, selon Jun Ye , membre du JILA/NIST, « est vraiment proche d'être utile pour la géodésie relativiste ». À cette incertitude de fréquence, cette horloge à réseau optique du JILA ne devrait ni gagner ni perdre une seconde en plus de 15 milliards d'années.

En 2017, JILA a présenté une horloge expérimentale à réseau optique de strontium à gaz quantique 3D dans laquelle les atomes de strontium-87 sont regroupés dans un minuscule cube tridimensionnel (3D) à une densité 1 000 fois supérieure à celle des horloges unidimensionnelles (1D) précédentes, telles que l'horloge JILA de 2015. Une comparaison entre deux régions du même réseau 3D a donné une précision résiduelle de5 × 10 ⁻¹⁹ en 1 heure de temps moyen. Cette valeur de précision ne représente pas la précision absolue ou la précision de l'horloge, qui restent au-dessus1 × 10 ⁻¹⁸ et1 × 10 ⁻¹⁷ respectivement. La pièce maîtresse de l'horloge à réseau optique de strontium à gaz quantique 3D est un état inhabituel de la matière appelé gaz de Fermi dégénéré (un gaz quantique pour les particules de Fermi). Les données expérimentales montrent que l'horloge à gaz quantique 3D a atteint une précision résiduelle de3,5 × 10 ⁻¹⁹ en deux heures environ. Selon Jun Ye, « cela représente une amélioration significative par rapport à toutes les démonstrations précédentes ». Ye a en outre commenté « le potentiel le plus important de l'horloge à gaz quantique 3D est la capacité d'augmenter le nombre d'atomes, ce qui conduira à un énorme gain de stabilité » et « la capacité d'augmenter à la fois le nombre d'atomes et le temps de cohérence rendra cette horloge de nouvelle génération qualitativement différente de la génération précédente ».

En 2018, JILA a signalé que l'horloge à gaz quantique 3D a atteint une précision de fréquence résiduelle de2,5 × 10 ⁻¹⁹ sur 6 heures. Récemment, il a été prouvé que l' intrication quantique peut aider à améliorer encore la stabilité de l'horloge.

En 2020, des horloges optiques ont été étudiées pour des applications spatiales telles que les futures générations de systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) en remplacement des horloges à micro-ondes. L'horloge au strontium-87 de Ye n'a pas surpassé les horloges optiques en aluminium-27 ou en ytterbium-171 en termes de précision de fréquence.

Voir pour une revue jusqu'en 2020.

En février 2022, des scientifiques de l' Université du Wisconsin-Madison ont signalé une horloge atomique optique « multiplexée », où les horloges individuelles s'écartaient les unes des autres avec une précision équivalente à une perte d'une seconde en 300 milliards d'années. L'écart mineur signalé s'explique par le fait que les oscillateurs d'horloge concernés se trouvent dans des environnements légèrement différents. Ceux-ci provoquent des réactions différentes à la gravité, aux champs magnétiques ou à d'autres conditions. Cette approche de réseau d'horloge miniaturisé est nouvelle dans la mesure où elle utilise un réseau optique d'atomes de strontium et une configuration de six horloges qui peuvent être utilisées pour démontrer la stabilité relative, l'incertitude fractionnaire entre les horloges et les méthodes de comparaison de très haute précision entre des ensembles d'horloges atomiques optiques qui sont situés à proximité les uns des autres dans une installation de métrologie.

En 2022, les horloges optiques sont principalement des projets de recherche et moins matures que les étalons micro-ondes au rubidium et au césium, qui fournissent régulièrement l'heure au Bureau international des poids et mesures (BIPM) pour l'établissement du temps atomique international (TAI) . Comme les horloges expérimentales optiques dépassent leurs homologues micro-ondes en termes de performances de précision et de stabilité, cela les met en position de remplacer l'étalon actuel du temps, l'horloge à fontaine à césium. À l'avenir, cela pourrait conduire à redéfinir la seconde SI basée sur les micro-ondes au césium, et d'autres nouvelles techniques de diffusion au plus haut niveau de précision pour transférer des signaux d'horloge seront nécessaires et pourront être utilisées dans des comparaisons à courte et à longue portée (fréquence) entre de meilleures horloges et pour explorer leurs limites fondamentales sans compromettre de manière significative leurs performances. Le BIPM a indiqué en décembre 2021 que, sur la base des progrès des normes optiques contribuant au TAI, le Comité consultatif du temps et des fréquences (CCTF) a lancé des travaux en vue d'une redéfinition de la seconde attendue dans les années 2030.

En juillet 2022, des horloges optiques atomiques basées sur des molécules d'iode ont été démontrées en mer sur un navire de guerre et ont fonctionné en continu dans l'océan Pacifique pendant 20 jours dans le cadre de l' exercice RIMPAC 2022. Ces technologies, initialement financées par le ministère américain de la Défense, ont conduit à la première horloge optique commerciale au monde montée sur rack en novembre 2023.