Les scientifiques ont développé l’une des horloges atomiques les plus précises jamais construites, et ils prévoient de l’utiliser comme horloge de référence pour Définir le temps lui-même.
Sur la base de la montée et de la chute des atomes de césium sous un faisceau micro-ondes, l’horloge atomique NIST-F4 est si fiable que si elle avait commencé à fonctionner lorsque les dinosaures existaient il y a 100 millions d’années, il serait désactivé de moins d’une seconde aujourd’hui, selon ses créateurs.
Les horlogers, scientifiques de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) à Boulder, Colorado, ont publié les détails des travaux du NIST-F4 le 15 avril dans le journal Métrologie. En avril 2025, la nouvelle horloge est en attente avant de rejoindre environ 450 autres horloges dans le monde pour définir le temps universel coordonné (UTC), le système mondial pour mesurer le battement ultraprécis d’une seconde.
Les signaux temporels sont « utilisés littéralement des milliards de fois par jour pour tout, de la définition d’horloges et de montres à assurer le temps précis de centaines de milliards de dollars de transactions financières électroniques », » Liz Donleychef de la division du temps et de la fréquence à NIST, dit dans un communiqué. (Donley n’est pas crédité comme l’un des auteurs du nouvel article).
Le besoin croissant d’un chronomètre plus précis signifie que les scientifiques travaillent toujours à développer de meilleures horloges de référence – celles qui définissent le temps que les autres sont fixées. Contrairement à leurs homologues quotidiens, ces dispositifs de référence sont des horloges atomiques, dérivant leurs tiques des vibrations des atomes.
NIST-F4 est un type d’horloge atomique connue sous le nom d’horloge de fontaine, contenant un nuage de milliers d’atomes de césium refroidis pour Près de Zero absolu Utilisation de lasers. Les atomes sont ensuite jetés vers le haut sous l’impulsion fournie par une paire de faisceaux laser, puis tombent sous leur propre poids tout en passant à travers un faisceau micro-ondes réglé pour faire osciller les atomes.
Le comptage de cette fréquence (qui se produit 9 192 631 770 fois chaque seconde) permet aux scientifiques de définir précisément la seconde internationale.
Mais c’est la partie relativement simple. Pour garantir la fiabilité du NIST-F4, les scientifiques ont dû tenir compte de chaque source de bruit minuscule qui pourrait affecter les vibrations des atomes de césium. Il s’agit notamment de la diaphonie quantique avec d’autres atomes; Effets de fuite de micro-ondes et de lentille; et des distorsions subtiles dans les champs électromagnétiques générés par les lasers.
L’équipe a commencé à effectuer ces ajustements en 2020, quatre ans après que la première horloge de la fontaine de l’agence, NIST-F1, a été mis hors service pour restauration. Ce travail comprenait la reconstruction de la cavité micro-ondes au cœur de l’horloge à partir de zéro.
« L’évaluation d’une horloge de fontaine comme le NIST-F4 est un processus lent », auteur de la première étude Vladislav Gerginovun physicien de NIST qui a travaillé sur le nouveau design, a déclaré dans le communiqué. « Nous devons être très conservateurs. Nous devons tout savoir à ce sujet. »
Le résultat est une horloge avec une incertitude systématique totale totale de 2,2 × 10⁻¹⁶ – une précision qui signifie qu’elle perd moins d’une seconde tous les 140 millions d’années. Ce décalage extrêmement subtil est le produit du bruit de l’aléatoire inhérent à mesures quantiquesun facteur qui dit que les scientifiques pourraient être réduits avec de meilleurs oscillateurs et un refroidissement au laser raffiné.
NIST-F4 cochera à côté de son horloge précurseur NIST-F3. L’horloge plus récente fonctionnera environ 90% du temps, et au moins une des horloges fonctionnera à tout moment. Les données des deux seront envoyées périodiquement à BIPM pour calibrer UTC et garder le monde à battre.
