Le CNRC utilisait des horloges atomiques à césium depuis les années cinquante. Ce type d'horloge est encore la meilleure façon de mesurer le temps grâce à la merveilleuse reproductibilité de l'état spinant des atomes de césium.
Le césium pur est un métal de couleur argenté, tirant sur le doré, dont le point de fusion est 28ºC. Sa facilité de réaction avec d'autres éléments le rend invisible dans la nature. Un pied cube de granite ordinaire peut pourtant en contenir un gramme, la quantité que contient la fiole dans cette image - la quantité utilisée en un an par une horloge typique.
Le césium naturel est du césium 133 pur (noyau = 55 protons + 78 neutrons) et est non radioactif.
Les atomes de césium 133 sont envoyés d'un bout à l'autre de la chambre à vide d'une horloge atomique.
Dans cette horloge à césium, la plus grande du CNRC, les atomes parcourent les 5 mètres à la vitesse de 250 m/s.
Jean-Simon Boulanger et Rob Douglas, agents de recherche dans le groupe de fréquence et de temps, font des ajustements à une des horloges atomiques au césium. Le grand tube en aluminium est une chambre à vide qui contient le coeur de l'horloge. Des atomes de césium sont émis à une extrémité du tube et traversent deux cavités micro-onde (le guide d'onde de cuivre qui alimente les micro-ondes dans ces cavités peut être vu du côté supérieur du tube) avant qu'ils soient analysés et détectés à l'autre extrémité. L'horloge est située dans une pièce de cuivre afin de l'isoler des interférences.
Comment ça marche?
La source de césium forme, par évaporation, un jet d'atomes de césium voyageant sans collision à environ 250 m/s dans un vide maintenu par une pompe à vide. L'aimant "A" dirige les atomes dont la magnétisation correspond à l'état f=3 du niveau fondamental du césium 133 vers la cavité de Ramsey. Les autres atomes de césium sont dirigés vers un absorbant en graphite.
La cavité de Ramsey induit un « mélange » des états f=3 et f=4 des atomes de césium. Cet « état spinant », à quelques corrections près, correspond à une précession du spin de 9 192 631 770 rotations par seconde, dans le champ magnétique généré par l'aimant "C". Les écrans magnétiques isolent les atomes des champs magnétiques externes, dont le champ terrestre qui est environ 10 fois plus grand que le champ de l'aimant "C".
La précession des atomes de césium est arrêtée par le passage dans la seconde extrémité de la cavité de Ramsey. L'aimant "B" envoie sur l'absorbant en graphite les atomes qui se sont arrêtés dans l'état f=3 et concentre sur l'ionisateur de Cs à filament chaud les atomes dans l'état f=4. Ces derniers seront d'autant plus nombreux que la fréquence de la cavité de Ramsey est proche de la fréquence de précession des atomes de césium.
Le collecteur d'ions couplé à l'amplificateur génère un courant proportionnel au nombre d'atomes de césium ionisés par le filament chaud. Ce courant est utilisé par l'asservissement pour contrôler un oscillateur à quartz de façon à maximiser le courant. Après mesure et correction des biais connus, la sortie de fréquence est de 10 000 000 Hz, précise à environ 5 parties par cent mille milliard par jour. Un tel étalon de fréquence est utile en métrologie, communications, ingénierie et sciences.
Une horloge utilise quelques autres composantes. Un compteur, à chaque 10 million de cycles, génère une impulsion exactement à une seconde d'intervalle l'une de l'autre. Au démarrage, l'heure est ajustée au Temps Atomique International (TAI), conservé par des générations d'horloges atomiques depuis 1958, lorsqu'il a été ajusté au temps astronomique. D'autres circuits comptent les secondes, minutes, heures, jours, années, etc.