394
16 • Noyau atomique et structure hyperfine des niveaux électroniques
la transition. Ces derniers sont alors dirigés vers un détecteur qui, par ionisation de
surface, mesure le flux d’atomes ayant subi la transition. Ce flux est évidemment
proportionnel à la probabilité de transition entre les deux états, probabilité d’autant
plus élevée que la fréquence du champ électromagnétique appliqué est proche de la
fréquence de transition n 0 .
Lorsque la fréquence n varie faiblement autour de n 0 , le détecteur enregistre une
courbe qui présente un maximum lorsque la fréquence excitatrice coïncide exactement avec la fréquence n 0 de la transition F(4) → F(3). Le signal obtenu à partir
du détecteur permet donc de contrôler l’oscillateur à quartz qui pilote le générateur
de micro-ondes. L’oscillateur fournit ainsi une fréquence bien déterminée. Un diviseur de fréquences permet de délivrer un signal électrique définissant parfaitement la
seconde.
➤ Précision et incertitudes
De nombreux problèmes accessoires viennent compliquer la réalisation d’une horloge atomique idéale ; citons en quelques-uns.
• Il existe neuf états F(4) et sept états F(3) de l’atome de césium ; ils ont tous des
énergies différentes en présence d’un champ magnétique. Par suite, il est nécessaire
d’appliquer un autre champ magnétique B 3 dans la région de la cavité micro-ondes
afin de distinguer ces divers états et de rendre possible la transition souhaitée. Ce
champ introduit cependant une légère perturbation de la fréquence de transition.
• Le champ ainsi appliqué dans la cavité est très faible, de l’ordre de 5 × 10
−6 T, et
très uniforme. Il est donc nécessaire d’avoir un blindage antimagnétique qui entoure
la cavité micro-ondes afin d’éliminer l’influence du champ magnétique terrestre ou
de tout autre champ perturbateur.
• La fréquence délivrée par un jet de césium n’est pas exactement celle correspondant à la transition F(4) → F(3) d’un atome de césium au repos et isolé. Le déplacement des atomes engendre un phénomène Doppler dont l’effet au second ordre
intervient avec le carré de la vitesse des atomes, et sa contribution dans l’incertitude
globale peut être importante.
• D’autres problèmes portant sur la forme de la cavité, les transitions non désirées,
la qualité de l’oscillateur à quartz, le bruit des divers composants de l’horloge, entraînent également des incertitudes sur la précision de la fréquence.
Les meilleures horloges atomiques à césium actuelles conduisent à des incertitudes relatives de l’ordre de 10
−14 . Cependant la précision ultime de la transition qui
sert à définir la seconde n’est pas encore atteinte ainsi que le montrent les recherches
actuelles utilisant des atomes froids.
c) Utilisation des horloges atomiques
Les données fournies par environ deux cents horloges atomiques réparties dans le
monde entier, principalement des horloges à césium mais également à hydrogène et
à ions mercure, sont centralisées au Bureau International des Poids et Mesures, à
16 • Noyau atomique et structure hyperfine des niveaux électroniques
la transition. Ces derniers sont alors dirigés vers un détecteur qui, par ionisation de
surface, mesure le flux d’atomes ayant subi la transition. Ce flux est évidemment
proportionnel à la probabilité de transition entre les deux états, probabilité d’autant
plus élevée que la fréquence du champ électromagnétique appliqué est proche de la
fréquence de transition n 0 .
Lorsque la fréquence n varie faiblement autour de n 0 , le détecteur enregistre une
courbe qui présente un maximum lorsque la fréquence excitatrice coïncide exactement avec la fréquence n 0 de la transition F(4) → F(3). Le signal obtenu à partir
du détecteur permet donc de contrôler l’oscillateur à quartz qui pilote le générateur
de micro-ondes. L’oscillateur fournit ainsi une fréquence bien déterminée. Un diviseur de fréquences permet de délivrer un signal électrique définissant parfaitement la
seconde.
➤ Précision et incertitudes
De nombreux problèmes accessoires viennent compliquer la réalisation d’une horloge atomique idéale ; citons en quelques-uns.
• Il existe neuf états F(4) et sept états F(3) de l’atome de césium ; ils ont tous des
énergies différentes en présence d’un champ magnétique. Par suite, il est nécessaire
d’appliquer un autre champ magnétique B 3 dans la région de la cavité micro-ondes
afin de distinguer ces divers états et de rendre possible la transition souhaitée. Ce
champ introduit cependant une légère perturbation de la fréquence de transition.
• Le champ ainsi appliqué dans la cavité est très faible, de l’ordre de 5 × 10
−6 T, et
très uniforme. Il est donc nécessaire d’avoir un blindage antimagnétique qui entoure
la cavité micro-ondes afin d’éliminer l’influence du champ magnétique terrestre ou
de tout autre champ perturbateur.
• La fréquence délivrée par un jet de césium n’est pas exactement celle correspondant à la transition F(4) → F(3) d’un atome de césium au repos et isolé. Le déplacement des atomes engendre un phénomène Doppler dont l’effet au second ordre
intervient avec le carré de la vitesse des atomes, et sa contribution dans l’incertitude
globale peut être importante.
• D’autres problèmes portant sur la forme de la cavité, les transitions non désirées,
la qualité de l’oscillateur à quartz, le bruit des divers composants de l’horloge, entraînent également des incertitudes sur la précision de la fréquence.
Les meilleures horloges atomiques à césium actuelles conduisent à des incertitudes relatives de l’ordre de 10
−14 . Cependant la précision ultime de la transition qui
sert à définir la seconde n’est pas encore atteinte ainsi que le montrent les recherches
actuelles utilisant des atomes froids.
c) Utilisation des horloges atomiques
Les données fournies par environ deux cents horloges atomiques réparties dans le
monde entier, principalement des horloges à césium mais également à hydrogène et
à ions mercure, sont centralisées au Bureau International des Poids et Mesures, à