Une horloge atomique pour survivre 100 millions d’années après les dinosaures : cette invention américaine défie le temps et fascine les scientifiques

Le NIST-F4, la toute dernière horloge atomique dévoilée par le National Institute of Standards and Technology à Boulder, Colorado, s’affirme comme l’un des dispositifs de chronométrage les plus précis jamais construits sur Terre. Si cette horloge avait commencé à fonctionner à l’époque des dinosaures, elle serait encore aujourd’hui précise à la seconde près. Ce mois-ci, les scientifiques du NIST l’ont officiellement soumise au Bureau international des poids et mesures pour obtenir la certification en tant que « standard de fréquence primaire », une distinction réservée aux horloges atomiques les plus élitistes au monde. Avec ce développement, les États-Unis se repositionnent dans le peloton de tête des nations opérant ces horloges de pointe.

Le fonctionnement de l’horloge

Contrairement aux horloges classiques, les horloges atomiques comme le NIST-F4 mesurent le temps à l’aide des vibrations naturelles des atomes, en l’occurrence des atomes de césium. À l’intérieur de l’horloge, des milliers de ces atomes sont refroidis à proximité du zéro absolu grâce à des lasers, puis projetés vers le haut dans un mouvement semblable à une fontaine. En montant et redescendant, ils traversent une radiation micro-ondes ajustée à une fréquence qui provoque un changement d’état énergétique des atomes, une transition qui définit le « tic » de l’horloge. Ce tic se produit précisément 9 192 631 770 fois par seconde, et c’est en comptant ces tics que l’horloge définit la seconde officielle. Les horloges à fontaine se doivent d’être très ennuyeuses, affirme Greg Hoth, un physicien de l’équipe du NIST, dans le sens où l’ennui signifie fiabilité, une qualité indispensable pour les systèmes mondiaux.

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L’horloge derrière l’internet, la finance et le GPS

Le temps ne concerne pas seulement les montres et les réveils : il alimente tout, du GPS aux transactions boursières en passant par les centres de données. Les signaux temporels sont utilisés littéralement des milliards de fois chaque jour, déclare Liz Donley, qui dirige la division Temps et fréquence du NIST. Ces signaux servent à tout, de la mise à l’heure des horloges à l’horodatage précis de centaines de milliards d’euros de transactions financières électroniques. Le NIST-F4 contribue à orienter l’échelle de temps officielle des États-Unis, connue sous le nom de UTC(NIST), et participe à la norme mondiale de chronométrage, le Temps universel coordonné (UTC). Ses données extrêmement précises aident à garantir que les systèmes à travers le monde restent synchronisés à la microseconde près.

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Années de reconstruction et de tests

Le NIST-F4 n’est pas apparu du jour au lendemain. Il est issu du NIST-F1, la première horloge à fontaine de l’agence construite à la fin des années 1990. Après un déménagement en 2016 qui a perturbé les performances du F1, les scientifiques du NIST ont décidé de reconstruire le cœur de l’horloge — la cavité micro-ondes — à partir de zéro. Ils ont passé des années à peaufiner chaque composant, des bobines magnétiques aux systèmes optiques, atteignant des tolérances aussi fines qu’un cinquième d’un cheveu humain. « Évaluer une horloge à fontaine… est un processus lent, car nous devons être très prudents », explique le physicien Vladislav Gerginov.

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Ce qui vient ensuite

Le NIST a déjà soumis les données du NIST-F4 au BIPM pour une certification formelle. Pendant ce temps, il fonctionne aux côtés du NIST-F3 pour garantir qu’au moins une horloge à fontaine est opérationnelle en permanence. Le succès du NIST-F4 a renouvelé le leadership mondial du NIST en matière de standards de fréquence primaire, a déclaré Donley. Et jusqu’à ce que les horloges optiques redéfinissent éventuellement la seconde, les fontaines à césium comme celle-ci continueront à faire tourner le temps mondial de manière parfaite.

Alors que le monde continue de se numériser, l’importance d’une mesure du temps précise et fiable ne peut être sous-estimée. Ces avancées technologiques soulèvent une question intrigante : comment cette précision accrue influencera-t-elle notre avenir dans les domaines de la communication, de la recherche scientifique et des interactions humaines?

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