Fonctionnement détaillé^[5]

L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium NIST-F1 (en). Cette horloge est l'étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis, avec une incertitude de 5,10 × 10⁻¹⁶ (en 2005).

Un système physique, ici une enceinte chauffée contenant du césium, permet de créer un jet d'atomes.

Dans ce jet, seuls les atomes correspondant à l'état d'énergie initiale désiré, ici E₁, sont conservés (la sélection se faisant par déflexion grâce à un champ magnétique).

Un oscillateur à quartz (produisant un signal à 10 MHz) est multiplié afin de piloter un générateur micro-ondes à une fréquence ν′ (voisine de ν). Ce signal est ensuite injecté dans une cavité résonante dite de Ramsey.

Le jet d'atomes dans l'état E₁ passe dans la cavité de Ramsey : plus la fréquence ν′ sera proche de ν, plus grand sera le nombre d'atomes qui, par absorption de l'onde, subiront la transition vers l'état E₂.

À la sortie, le jet atomique subit une seconde déflexion magnétique qui sépare les atomes dans l'état E₂ de ceux dans l'état E₁.

Un détecteur, placé dans la trajectoire des atomes dans l'état E₂, produit un signal proportionnel au nombre de ces atomes. Plus ν′ est proche de ν, plus le nombre d'atomes E₂ compté en sortie est grand.

Un système d'asservissement ajuste en permanence la fréquence de l'oscillateur à quartz pour maximiser le nombre d'atomes dans l'état E₂, et donc conserver la fréquence de l'oscillateur proche de la fréquence optimale. La fréquence de l'oscillateur est ainsi asservie à la fréquence de la transition atomique.

Dans le cas du césium, la fréquence ν est de 9 192 631 770 Hz. Cette valeur est exacte puisque c'est celle utilisée pour définir tout à la fois la seconde et son inverse le hertz.

Le comptage du temps est ensuite assuré par une division des oscillations de l'oscillateur à quartz, associé à un circuit électronique affichant par exemple l'heure comme dans une montre à quartz.

Les oscillations peuvent aussi être utilisées directement pour piloter des dispositifs ou équipements nécessitant une fréquence de fonctionnement stable.

Performances

Pour un type d'atome donné, la précision de l'horloge dépend du temps passé par les atomes dans la cavité micro-onde. Le temps est d'autant plus grand que les atomes sont refroidis (un atome à température ambiante a une vitesse de 300 m/s) et de la grandeur de la cavité^[6]. La précision peut être aussi améliorée en prenant un type d'atome ayant une fréquence de résonance plus élevée, ce qui est le cas pour des horloges au mercure ou strontium (voir #Horloge atomique aux fréquences optiques).

Les meilleures horloges au césium (en 2013) parviennent à une stabilité de l'ordre de 1 × 10⁻¹⁴ s.s⁻¹, et atteignent 2 × 10⁻¹⁶ s.s⁻¹ après plusieurs jours de fonctionnement^[7].

Ceci signifie que l'horloge dérive de 2 × 10⁻¹⁶ seconde en une seconde, ce qui est souvent vulgarisé en donnant le nombre d'années nécessaire pour qu'une horloge dérive d'une seconde complète, dans ce cas une seconde en 160 millions d'années.

Processus énergétiques atomiques

La stabilité des raies spectrales atomiques avait déjà été remarquée par Lord Kelvin en 1879^[9].

Un atome passe d'un état excité d'énergie E₂ à un état plus stable d'énergie inférieure E₁ par l'émission spontanée d'un photon de fréquence :

${\displaystyle \nu ={\frac {E_{2}-E_{1}}{h}}={\frac {\Delta E}{h}},}$

où ${\displaystyle h}$ est la constante de Planck.

À l'inverse, un atome dans un état plus stable d'énergie E₁ passera à un état excité d'énergie supérieure E₂ par l'absorption d'un photon de fréquence ${\displaystyle \nu }$ dont la valeur est donnée par la même équation que ci-dessus.

On connaît aussi le principe d'émission stimulée consistant pour un atome à passer d'un état d'énergie excité vers un état plus stable après la rencontre d'un autre photon. L'énergie de l'atome sera alors dissipée par l'émission d'un autre photon qui possédera les mêmes caractéristiques que le photon initiateur.

Il existe également une probabilité non nulle pour qu'un atome se trouvant dans un état excité redescende dans un état plus stable et plus faible par un processus de désexcitation non radiative, c'est-à-dire sans émettre de photon. Le système devant alors satisfaire à la relation de conservation de l'énergie, il en résultera soit un échauffement de l'atome, soit un transfert de quantité de mouvement.

Ces processus atomiques élémentaires, dont la théorie a été développée en grande partie par Albert Einstein, vont être à la base de toute l'interaction permettant d'élaborer un étalon atomique de mesure du temps.

Notion de structure fine et hyperfine

L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un spectre d'émission ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition de plusieurs composantes au sein d'une même raie.

Une raie principale est donnée par le nombre quantique principal n caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va donner une série de sous-niveaux quantiques correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les diverses interactions physiques au sein de l'atome (interaction spin–orbite, effets de volume, effets relativistes, etc.). Ces sous-niveaux sont en fait la cause de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On parle alors de structure fine : cette observation nécessite en effet une spectroscopie de plus grande précision, les écarts en énergie étant de l'ordre de 1000 fois plus faibles que les écarts entre niveaux principaux.

Enfin, d'autres effets peuvent intervenir encore plus faiblement : interaction du spin du noyau et de l'électron, effets d'électrodynamique quantique... Une mesure encore plus poussée révèle alors l'existence d'une structure hyperfine des niveaux d'énergie.