_____L’instrument de mesure du temps le plus précis, connu à ce jour est l’horloge atomique, ou plus précisément, les horloges atomiques, puisqu’il en existe plusieurs sortes.

Ces horloges mesurent le temps en utilisant comme unité la période d’oscillation des radiations émises par des atomes en transition entre deux états physiques.

Un peu d’histoire, la première horloge atomique fut fabriquée en 1947, elle était alors à ammoniac, de formule NH3. L’atome d’azote (N) placé au sommet d’un tétraèdre dont la base est constituée de trois atomes d’hydrogène, peut osciller avec une période rigoureusement constante.

Alors, avec un faisceau électromagnétique de même fréquence que la molécule d’ammoniac, on peut augmenter l’ampleur des oscillations. Ce type d’horloge présente alors une précision, à l’époque remarquable, d’une seconde tous les 30 ans.

Plus tard, l’horloge atomique à césium apparue, elle sert d’ailleurs aujourd’hui à définir l’unité de temps du système international d’unités.

L’horloge à césium qui se trouve au National Bureau of Standards de Boulder peut présenter un décalage maximum d’une seconde tous les 3000 ans, un pas en avant par rapport à son prédécesseur, l’horloge à ammoniac.

L’horloge à ammoniac ainsi que l’horloge à hydrogène, utilisent le principe du maser. Le maser est un acronyme, tout comme le laser, faisant d’ailleurs partie de sa famille, il met les molécules qu’il traverse en état d’excitation.

Le maser sépare les molécules d’ammoniac sur deux niveaux d’énergie.

La fréquence des molécules d’ammoniac est des fois constante et des fois élevée. Les molécules oscillent entre ces 2 niveaux ce qui permet de mesurer le temps avec une très grande précision.

Les horloges atomiques sont notamment employées pour mesurer la période de rotation de la terre, qui peut varier de 4 à 5 ms par jour.

Pour le futur, les études les plus récentes laissent présager la construction prochaine d’une horloge atomique à hydrogène, dont les mesures comporteront au pire, une erreur de 1 seconde tous les 300 000 ans.

Qu’est-ce que le césium ?

Le césium pur est un métal de couleur argenté, tirant sur le doré, dont le point de fusion est d’environ 28C. Sa facilité de réaction avec d’autres éléments le rend invisible dans la nature, c’est à dire qu’il se trouve très bas dans la classification d’oxydoréduction. Un pied cube de granite (soit environ 35,288 dm3) ordinaire peut pourtant en contenir jusqu’à un gramme. C’est la quantité que contient la fiole dans l’animation ci-contre. C’est aussi la quantité qu’utilise en un an une horloge atomique typique. Le césium naturel est du césium 133 pur, plus précisément, son noyau possède 55 protons ainsi que 78 neutrons, il est également non radioactif.

Les atomes de césium 133 sont envoyés d’un bout à l’autre de la chambre à vide d’une horloge atomique, tel qu’illustré ci-contre. Dans cette horloge, les atomes parcourent les 5 mètres à la vitesse de 250 m/s. Les principales composantes sont illustrées ci-dessus.

Il est à remarquer que tout cela se passe dans un vide extrême entretenu par une pompe à vide.

Aujourd’hui, il existe une horloge spécifique, située à Paris, appelée " fontaine à césium ", on a dit précédemment que plus le césium restait longtemps dans la cavité de ramsey, plus la précision de l’horloge était grande, c’est justement ce principe que reprend la fontaine puisqu’elle ralentit ces atomes de césium en les refroidissant avec 6 rayons laser croisés, ce qui permet au césium de rester plus longtemps dans la cavité et donc de mieux se caler sur la fréquence du quartz. De plus la fontaine, comme son nom laisse deviner, est verticale, la source de césium part d’en bas, et la cavité étant plus haute, le césium passe l’aller et le retour, suite à la gravitation terrestre, dans la cavité et l’horloge gagne alors d’autant plus de précision, elle a d’ailleurs actuellement le record du monde précision, en effet sa dérive est tout au plus d’1 seconde en 15 millions d’années.