Le centre de recherche en Métrologie du CNRC marque son temps avec sa nouvelle horloge à fontaine atomique

 

- Ottawa, Ontario

Une technologie bien de son temps

Le temps file; le temps guérit; le temps, c'est de l'argent. Le temps que l'on perd, que l'on gagne et même que l'on s'évertue à tuer. Le temps marque les évènements qui rythment nos vies et nous permet de synchroniser nos horaires quotidiens. Même si le temps exerce une immense influence d'un point de vue pratique et philosophique sur le cours de nos vies, nous nous arrêtons rarement à penser aux moyens utilisés pour concrètement le mesurer.

Depuis la nuit des temps, l'humanité déploie des trésors d'ingéniosité pour mesurer le temps avec le plus d'exactitude possible. Pouvoir marquer le passage des années, des saisons, des jours et de plus petits intervalles encore était essentiel à différentes activités, notamment le commerce et la navigation. La quête de précision sans cesse plus grande a stimulé le développement des instruments utilisés, du cadran solaire au mouvement à quartz, en passant par l'horloge à eau et l'observation des astres.

Aujourd'hui, ce n'est plus la rotation de la Terre qui sert d'étalon, mais le mouvement quantique des atomes.

Responsable de l'heure officielle du Canada, l'équipe Temps et fréquence du Centre de recherche en métrologie du CNRC est fière de travailler à accroître les capacités chronométriques de l'organisation, quel que soit l'intervalle d'intérêt. La seconde, l'unité de mesure du temps, est 1 des 7 étalons de base du Système international des unités (SI). Après l'invention de l'horloge atomique, il a cependant fallu revoir la définition de la seconde en 1967. On a ainsi cessé d'utiliser la durée de la rotation de la Terre pour établir sa valeur au profit de la période d'oscillation de l'atome de césium 133.

Le groupe Métrologie espérait depuis longtemps mettre au point une horloge à fontaine d'atomes de césium offrant la mesure la plus précise de la seconde SI et pouvant servir d'étalon primaire de fréquence au Canada, sans avoir besoin de source d'étalonnage externe.

De nombreux laboratoires à l'échelle internationale gèrent des étalons primaires de fréquence, mais très peu d'entre eux le font en coordination avec le Bureau international des poids et mesures (BIPM). Le BIPM a comme rôle de calculer et de diffuser le temps atomique international, l'échelle de temps qui offre la plus grande stabilité à l'échelle mondiale. À partir des données fournies par plusieurs étalons primaires de fréquence internationaux, le BIPM parvient à piloter l'échelle de temps mondiale consensuelle qu'est le temps atomique international, en respectant la définition de la seconde. Avec l'aide de ses collaborateurs, le CNRC est parvenu à atteindre un objectif ambitieux — la mise au point et la caractérisation d'une horloge à fontaine d'atomes de césium — et à franchir avec succès l'exigeant examen par les pairs pour accéder au cercle exclusif des laboratoires mondiaux qui contribuent au pilotage du temps atomique international.

Réglé comme une horloge suisse

L'horloge à fontaine à césium du CNRC (NRC-FCs2) se compose de 4 sous-ensembles :

  1. une enceinte physique,
  2. un système à micro-ondes,
  3. un système laser
  4. un module de contrôle électronique et le logiciel connexe.

Au début du projet, le CNRC cherchait un partenaire pour concevoir l'enceinte physique (une chambre à vide contenant la cavité micro-onde, les atomes de césium et d'autres composants), qui est le cœur de l'horloge. Le CNRC s'est ainsi associé à un laboratoire du Royaume-Uni, le National Physical Laboratory (NPL), qui possède un grand savoir-faire en conception et exploitation d'horloges à fontaine de césium. En collaboration avec le professeur Kurt Gibble de l'Université d'État de Pennsylvanie, les chercheurs du NPL ont mis au point une conception éprouvée pour la cavité à micro-ondes et l'enceinte.

Le CNRC et le NPL ont conclu un accord de collaboration scientifique et commerciale en vertu duquel le CNRC s'engageait à acheter l'enceinte conçue par le NPL et à lui fournir du personnel scientifique pour l'aider à la fabrication et aux essais. Les chercheurs du CNRC, Scott Beattie, Bin Jian, John Alcock et Marina Gertsvolf, ont travaillé de leur côté à la conception des systèmes à micro-ondes, des systèmes laser et systèmes de contrôle de l'horloge NRC-FCs2. Après l'assemblage et les essais de l'enceinte physique dans les installations du NPL, l'équipement éminemment fragile a été livré en parfait état au CNRC, où il a été intégré aux autres sous-systèmes de l'horloge.

En collaboration avec son partenaire, l'équipe Temps et fréquence a ensuite entrepris le long et laborieux processus d'évaluation de l'étalon de fréquence. Il lui a fallu procéder à la caractérisation de l'équipement et à la correction d'une multitude de facteurs externes influant sur son fonctionnement. Les résultats de cette évaluation ont été publiés dans la revue scientifique Metrologia qui a confirmé que les experts internationaux des étalons de fréquence et de temps avaient approuvé les résultats du CNRC et le degré d'incertitude allégué de 2,3 × 10^-16, ce qui signifie que l'horloge n'avance ni ne recule d'une seconde en plus de 100 millions d'années!

Passer l'épreuve du temps

Le CNRC a donc joint le club sélect des instituts nationaux de métrologie qui fournissent d'excellentes réalisations de la seconde SI et a contribué avec le BIPM au pilotage du temps atomique international. L'horloge NRC-FCs2 continuera de fournir au Canada une échelle de temps locale précise et facilitera l'amélioration continue par le CNRC des horloges optiques de prochaine génération.

Selon Marina Gertsvolf, chef de l'équipe Temps et fréquence, « La réussite de ce projet est attribuable au travail concerté d'un réseau d'instituts nationaux de métrologie triés sur le volet pour appuyer et améliorer le Système international des unités (SI). Il repose aussi sur le savoir-faire exceptionnel de l'équipe responsable du projet d'horloge à fontaine atomique du CNRC, qui a su livrer un appareil représentant le nec plus ultra de la technologie dans les délais prévus. »

Même si l'horloge NRC-FCs2 constitue aujourd'hui un étalon mondial, les chercheurs de l'équipe Temps et fréquence poursuivent leur travail pour accroître encore sa précision.

Quelle sera la limite? Seul le temps saura nous le dire.

Contactez-nous

Relations avec les médias, Conseil national de recherches du Canada
1-855-282-1637 (sans frais, au Canada seulement)
1-613-991-1431 (ailleurs en Amérique du Nord)
001-613-991-1431 (à l'étranger)
media@nrc-cnrc.gc.ca
Suivez-nous sur Twitter : @CNRC_NRC