Horloges à jets thermiques
Dans ce type d’horloge, un four chauffé percé d’un orifice équipé de canaux génère un jet thermique d’atomes. Nous ne considérerons que le cas des jets thermiques de césium qui sont les plus intéressants pour la métrologie du temps. Les atomes, animés de vitesses de quelques centaines de mètres par seconde, subissent les différentes interactions au cours de leur déplacement dans une enceinte sous vide.
Les premières générations d’horloges à jet thermiques de laboratoire utilisaient la déflexion magnétique, analogue à l’expérience de Stern et Gerlach, pour la sélection de l’état atomique et la détection du signal d’horloge. La première horloge de ce type a été développée en 1955 au National Physical Laboratory en Angleterre.
La première horloge atomique réalisée par L. Essen et J. Parry (NPL, 1955)
Dans les années 1980, cette technique a été remplacée par des techniques d’interaction avec un laser permettant de sélectionner l’état atomique par pompage optique – technique qui a valu le prix Nobel de physique à Alfred Kastler en 1966 – et de détecter le signal d’horloge par fluorescence induite par laser. Dans toutes les horloges à jets thermiques, l’interaction entre les atomes et le signal généré par l’oscillateur est effectuée dans une cavité résonnante de géométrie particulière dite cavité de Ramsey (Norman Ramsey, physicien américain, prix Nobel de physique 1987) : les atomes y subissent deux interactions successives avec le champ excitateur, ces interactions étant séparées par un temps mort pendant lequel l’état de l’atome évolue librement sans aucune interaction. Par rapport à une interaction continue de même durée, la méthode de Ramsey permet d’affiner la raie de résonance et de réduire l’influence d’un certain nombre d’effets systématiques.
Cavité de Ramsey de l’horloge à pompage optique JPO du SYRTE
Les meilleures performances obtenues sur une horloge à jet thermique de césium pompé optiquement par laser ont été obtenues à la fin des années 1990 au SYRTE et se situent au niveau de 3,5×10−13 τ −1/2 pour la stabilité de fréquence et 6,4×10-15 pour l’exactitude. Ces horloges sont maintenant dépassées en performances par les fontaines à atomes froids, même si plusieurs centaines d’horloges à jets thermiques de césium commerciales, de performances moindres, sont toujours vendues chaque année dans le monde.
Des versions industrielles d’horloges atomiques à jets thermiques ont aussi été développées pour des utilisations au sol ou dans l’espace. Ces horloges suivent le même principe de fonctionnement que celui des étalons primaires à jets thermiques décrits précédemment, mais leur cavité d’interaction est bien plus courte (10-20 cm) afin de conduire à une taille plus réduite du dispositif.
Les horloges à jets thermiques commercialisées aujourd’hui utilisent toutes la déflexion magnétique pour la préparation et la détection du signal d’horloge. Grâce à leur bonne stabilité de fréquence à long terme, elles sont principalement utilisées dans les laboratoires de métrologie ou les grands centres de synchronisation pour la génération d’échelles de temps. A titre indicatif, plusieurs centaines d’horloges commerciales à jet thermique de césium contribuent aujourd’hui à la réalisation du Temps Atomique International. Certains modèles ont été aussi embarqués dans des satellites GNSS. Une mesure directe de la dilatation relativiste des temps a aussi été directement effectuée en 1971 avec des horloges à césium embarquées dans des avions.
Les stabilités de fréquence des meilleurs dispositifs sont meilleures que 10-11 pour une seconde d’intégration, avec des planchers de stabilité ≤ 10-14. Leur exactitude est de 5.10-13. Comme pour les étalons primaires, le remplacement de la sélection magnétique par le pompage optique a montré tout son intérêt et de nouveaux dispositifs sont en cours de développement dans l’industrie pour des applications sol ou spatiales, avec l’objectif de gagner un ordre de grandeur pour la stabilité de fréquence.
