Le caractère chargé des ions est à la fois un atout et un inconvénient pour réaliser une horloge atomique.

C’est un atout car il est aisé de piéger des ions dans un champ électromagnétique adéquat pendant une durée importante, ce qui permet d’obtenir des durées d’interaction importantes et par conséquent des raies fines de résonance. De plus, le piégeage des ions sur une région confinée permet de s’affranchir de l’effet Doppler du premier ordre en se plaçant dans le régime Lamb-Dicke. Diverses géométries de piège à ions existent, et H.G. Dehmelt et W. Paul ont obtenus le prix Nobel de physique en 1987 pour leurs travaux pionniers dans ce domaine.

La charge des ions est aussi un inconvénient car les interactions électrostatiques entre ions induisent un déplacement de fréquence très important lié à l’effet Stark. Le seul moyen de remédier à ce phénomène néfaste est de ne piéger qu’un seul ion, au détriment évidemment du rapport signal à bruit et de la stabilité de fréquence qui dépend du nombre d’ions interrogés. Une solution intermédiaire consiste à créer des pièges linéaires dans lesquels plusieurs ions sont piégés le long d’une ligne de minimum de potentiel. De nombreux développements d’horloges à ions ont été menés, en particulier avec l’ion mercure Hg⁺, pour atteindre dans des volumes réduits (< 10 litres) des performances très intéressantes : stabilité de 5.10^‑14 pour une seconde d’intégration et inférieure à 10^-16 à long terme.

Le pompage optique et la détection du signal d’horloge sont effectués par des lasers, ou dans les systèmes simplifiés par des lampes spectrales. Ces dernières sont très intéressantes pour concevoir des systèmes simples et compacts mais, dans le cas de l’ion mercure, elles fonctionnent dans l’ultra-violet ce qui pose des problèmes de fiabilité et de tenue à l’environnement spatial. Le JPL travaille sur la spatialisation de ces horloges.

Horloge à ions Hg+ du JPL (Source JPL)