Une « horloge atomique » mise au point avec un décalage d'une seconde seulement tous les 140 millions d'années

Cette horloge à fontaine de césium, appelée NIST-F4, est basée sur le mouvement des atomes de césium montant et descendant sous l'effet de la lumière micro-onde. Selon les explications des scientifiques, si cette horloge avait commencé à fonctionner il y a 100 millions d'années, à l'époque où vivaient les dinosaures, elle aurait été décalée de seulement moins d'une seconde aujourd'hui.

Les détails du nouveau système ont été publiés dans la revue scientifique Metrologia. Le NIST-F4 est opérationnel depuis avril 2025 et est en cours d'approbation pour être inclus dans le système de temps coordonné mondial (UTC). Il existe environ 450 horloges dans le monde qui définissent l'UTC.

Liz Donley, directrice de la division Temps et Fréquence du NIST, a noté que ces signaux sont utilisés des milliards de fois dans la vie quotidienne. Les horloges jouent un rôle essentiel non seulement dans le réglage de l'heure, mais aussi dans l'horodatage de milliers de milliards de dollars de transactions financières électroniques, a déclaré Donley.

Le NIST-F4 est une horloge à fontaine composée de milliers d'atomes de césium refroidis au laser jusqu'à un niveau proche du zéro absolu. Les atomes sont projetés vers le haut par deux faisceaux laser et sont ensuite exposés à un rayonnement micro-ondes lorsqu'ils tombent sous leur propre poids. Au cours de ce processus, les atomes vibrent 9 192 631 770 fois par seconde, ce qui correspond à la définition de la seconde internationale.

Cependant, rendre ce processus fiable n’est pas chose aisée. Les scientifiques ont dû prendre en compte toutes sortes de minuscules sources de bruit qui pouvaient affecter les vibrations des atomes. Il s’agit notamment des interactions quantiques, des fuites de micro-ondes et des perturbations des champs électromagnétiques créés par les lasers.

L'équipe du NIST a commencé à travailler sur cette horloge en 2020. Après que la première horloge fontaine de l'agence, NIST-F1, a été mise hors service pour restauration, la cavité micro-ondes du système de nouvelle génération a été construite à partir de zéro.

Le processus d'évaluation de telles horloges doit être effectué très lentement et méticuleusement, a déclaré Vladislav Gerginov, physicien du NIST et premier auteur de l'étude. L’équipe a pu réduire l’incertitude systématique à 2,2×10⁻¹⁶. Cela signifie que l’horloge ne perd qu’une seconde tous les 140 millions d’années.

Le NIST-F4 fonctionnera en conjonction avec son prédécesseur, le NIST-F3. La nouvelle horloge sera active environ 90 % du temps, garantissant qu'au moins une horloge fonctionne à tout moment. Les données des deux horloges seront envoyées régulièrement au BIPM pour l’étalonnage UTC.