6/03/2018

Le Laboratoire Temps Fréquence de Neuchâtel : au cœur d’une innovante précision

Connaissez-vous le fonctionnement des horloges atomiques et leurs applications ?

Récemment, le Laboratoire Temps Fréquence de l’Université de Neuchâtel a annoncé la validation d’un prototype de cavités micro-ondes, pièces clé des horloges atomiques. L’innovation ? Ces pièces ont été créées grâce à des imprimantes 3D, une première dans le domaine. Mais connaissez-vous le fonctionnement des horloges atomiques et leurs applications ?

L’horloge atomique constitue une réalisation de la définition de la seconde, étalon de mesure du temps. Cette réalisation se base sur le nombre d’oscillations d’un rayonnement, correspondant à deux niveaux d’énergie d’un atome précis. D’où son nom d’horloge atomique. Les atomes utilisés sont par exemple le césium 133, le rubidium ou l’hydrogène. Les horloges atomiques ont été mises au point dans les années 1950 puis améliorés, grâce – entre autres - aux travaux de plusieurs prix Nobel de Physique : I. I Rabi (1944), A. Kastler (1966), N. Ramsey (1988), Chu-Cohen-Philips (1997), Hall-Haensch-Glauber (2005), Haroche-Wineland (2012).

Différents états d’énergie pour mesurer une seconde

Pratiquement, un atome de césium 133 est irradié par des ondes électromagnétiques, ayant une fréquence précise. Cette irradiation, si sa fréquence est exacte, fera passer l’atome d’un état d’énergie à un autre. Il faut alors à ce rayonnement 1 seconde divisée par 9 192 631 770 pour faire une oscillation. Dit autrement, il faut 9 192 631 770 oscillations de ce rayonnement pour constituer une seconde. Ce nombre élevé d’oscillations n’est pas anodin. En effet, plus il est grand, plus l’horloge sera précise et stable. Une précision de l’ordre de la nanoseconde, soit une erreur d’une seconde toutes les dizaines de millions d’années dans le cas d’une horloge atomique. Inutile pour le commun des mortels ?

Une précision indispensable au quotidien

La définition du mètre découle de celle de la seconde. En effet, le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299792658 seconde. Sans une mesure suffisamment précise du temps et de la distance, pas de GPS par exemple. En effet, de manière générale pour la navigation par satellite, il faut que l’horloge soit stable à la nanoseconde (ns) près, pour que l’erreur de position soit inférieure à 1 mètre (environ). Concrètement, une erreur d’une seconde engendrerait une erreur de position de l’ordre de 300’000 kilomètres. C’est pour cette raison que les satellites GPS sont équipés d’horloges atomiques. Un quartz ne permettrait pas de garantir une nanoseconde de précision.
Autre applications : les réseaux de télécommunication et les réseaux de distribution d’énergie. Afin de minimiser la perte d’information pour le premier ou les surcharges pour le deuxième, une fine synchronisation entre chaque nœud du réseau est nécessaire, cette fois à la microseconde. Le besoin de précision est ici moindre par rapport au GPS, mais reste indispensable.  
La datation des transactions financières et la synchronisation des banques de données (Big Data) seraient également des domaines d’applications dans un futur proche.

Un laboratoire à la pointe de l’innovation

Toutes ces applications commerciales et industrielles sont notamment rendues possibles grâce aux recherches effectuées au Laboratoire Temps Fréquence de Neuchâtel qui fait régulièrement parler de lui pour de très bonnes raisons. Tout dernièrement, en mars 2018, la dernière publication sur les cavités micro-ondes fabriquées à l'aide d'imprimantes 3D, parue dans le "Applied Physics Letters", a été particulièrement remarquée par la rédaction qui l'a intégrée à sa sélection spéciale "Editor's pick".

À noter que le LTF conduit  des projets sur les horloges atomiques avec d’autre membres de Microcity, tels que le CSEM et l’antenne neuchâteloise de l’EPFL. Miniaturisation, utilisation de lasers permettant d’améliorer de 10 fois la précision d’une horloge au césium ou encore création de pièces grâce à l’imprimante 3D, on peut dire que l’horloge atomique, malgré ses 70 ans d’existence, sait vivre avec son temps.

Emission de radio CQFD, 23 février 2018, rencontre avec Gaetano Mileti, directeur adjoint du Laboratoire Temps-Fréquence à l'Unine

Articles

Atomic clock microwave cavity, ELECTRONICS LETTERS, 31 mai 2018

3D printed microwave cavity for atomic clock applications: proof of concept, ELECTRONICS LETTERS, 31 mai 2018

Victoria Barras, en collaboration avec Prof. Gaetano Mileti

Autres articles

Solaxess remporte la première édition du prix SUD

Prix créé par «Le Temps» et soutenu par Romande Energie

En savoir plus

Micro 18 - Galerie photo

Un beau succès pour la dixième édition des événements Micro.

Conférences sur le Big Data, ateliers et stands pour les enfants ont connu une grande affluence du 30 août au 1er septembre 2018.

En savoir plus

Digital Lives

Près de 1,2 million de francs attribués par le FNS à l’Université de Neuchâtel

Les fonds financeront des travaux dans des domaines aussi variés que la chirurgie robotique, l’agriculture connectée, les entretiens d’embauche, l’hôtellerie, l’information locale à l’ère numérique ou encore la digitalisation de la justice.

En savoir plus