Un oscillateur à quartz possède une certaine fréquense d'oscillation. Après un certain nombre d'oscillations, une seconde est écoulée. Le principe est le meme pour l'horloge automique mais la fréquense de l'horloge atomique est beaucoup plus élevée ce qui améliore la précision.
Un atome peut exister sous différents niveaux d'énergie qui sont quantifiables. L'énergie d'un atome ne peut prendre que des valeurs précises, caractéristiques à sa nature. Et il ne peut pas se trouver entre deux niveux hyperfins d'énergie. Pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre plus élevé, il doit recevoir un photon ("grain" élémentaire de la lumière). Il doit émettre un photon pour retrouver son état d'énergie initial. Puisque les différences d'energie entre les états d'un atome ont des valeurs parfaitement définies, il en est de meme de la fréquence de l'onde électromagnétique pouvant changer leur état, ou pouvant etre à l'inverse générée par leur changement d'état. Pour la définition exacte de la seconde, le principe de l'horloge atomique est de comptabiliser les prériodes de la fréquence émise par la transition de deux niveaux hyperfins de l'atome de césium 133. La seconde est donc définie comme 9 192 631 770 oscillations de l'isotope de Césium 133.
C'est un oscillateur à quartz qui est à la base d'une horloge atomique à jet de césium, les atomes de césium n'étant là que pour controler et ajuster la fréquence du signal généré par le quartz : c'est un étalon passif.
Fontaines de césium :
Echantillon de césium :
Le principal défaut d'un oscillateur à quartz est son manque de stabilité à long terme. Au fil du temps, les propriétés mécaniques du cristal s'altèrent et la fréquence des oscillations se met à varier. L'horloge ne mesure plus les secondes correctement et finit par avancer ou retarder selon que la fréquence augmente ou diminue. Dans une horloge à quartz traditionnelle, ces variations de fréquence ne sont pas détectées et l'horloge dérive sans que l'on puisse s'en rendre compte, sans la comparer à une autre horloge qui indiquerait l'heure juste. C'est à ce niveau que se situe l'apport des horloges atomiques. Par un dispositif approprié qui fait appel à des atomes individuels, il est possible de détecter en temps réel toutes les variations de la fréquence d'oscillation du quartz et d'y pallier en agissant sur les paramètres du circuit électronique qui contrôle ces oscillations.
Dans une horloge atomique à jet de césium, l'oscillateur à quartz est couplé à un synthétiseur micro-ondes. Ce dernier génère dans une cavité métallique, cavité de Ramsey, un rayonnement électromagnétique micro-onde, de fréquence proportionnelle à la fréquence de l'oscillateur à quartz. Toute variation dans la fréquence d'oscillation du cristal de quartz se répercute immédiatement sur la fréquence du rayonnement micro-onde synthétisé dans la cavité de Ramsey. Les atomes sont extrêmement sensibles au rayonnement électromagnétique qui les illumine. En faisant passer des atomes donnés dans la cavité de Ramsey, leur comportement varie selon la fréquence du rayonnement qui y règne. En détectant ce comportement, il devient possible de savoir si la fréquence d'oscillation du quartz est en train de varier ou non et de corriger ces variations dans le bon sens. C'est le principe de base de l'horloge aomique.
Il existe d'autres types d'horloges atomiques : les horloges à rubidium dont les performances sont moindres, les masers à hydrogène passifs et les masers à hydrogène actifs, dont la stabilit à court terme (durées inférieures à un jour) est meilleure que les étalons à césium, mais qui présentent une exactitude à long terme moins bonne.
Horloge atomique de référence aux Etats-Unis.
Au fil du temps les méthodes se sont affinées :
-1930 quartz 1 seconde en 30 années
La précision des horloges atomiques s'est aussi améliorée
- 1955 : 1 seconde en 300 ans
- 1980 : 1 seconde en 300 000 ans
- 2004 : 1 seconde en 60 millions d'années
Pourquoi une telle précision ?
La détermination précise du temps permet une meilleure étude des atomes et des molécules. La mesure du temps intervient également dans les tests de la gravitation et de la structure de l'espace temps. On pourrait naïvement se poser la question de savoir si l'on a réellement besoin de tant de précision. Il y a plutôt lieu de s'interroger sur les recherches et technologies auxquelles cette précision donne accès. En recherche fondamentale, la détermination précise du temps (et corollairement de la fréquence, l'inverse du temps) permet de contribuer à une connaissance de plus en plus fine des multiples propriétés des atomes et des molécules. Les constantes physiques qui peuvent être déterminées par la seule mesure de fréquences de phénomènes physiques deviennent accessibles avec des précisions accrues. Enfin, la plupart des tests des modèles de structure de l'espace-temps et de la gravitation font intervenir la mesure du temps. Plusieurs expériences de transport d'horloges ont par exemple été organisées pour vérifier les prédictions de la relativité générale.