Comment l’horloge atomique au lutécium va redéfinir la seconde en 2030

Pourquoi construire une horloge toujours plus précise alors que nos téléphones nous donnent déjà l’heure ? Pour les scientifiques, l’enjeu dépasse largement la ponctualité. Mesurer le temps avec une exactitude extrême permet aussi d’étudier la gravité et de tester les lois de la physique.

Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont établi une nouvelle référence en matière de précision chronométrique. Selon les résultats de l’étude, l’incertitude relative de cette horloge atteint seulement 10⁻¹⁹. Pour donner un ordre de grandeur, cela correspondrait à un décalage d’environ une seconde en 300 milliards d’années si cette performance était maintenue.

Le lutécium, secret d’une précision record

Cette performance est un record pour une horloge atomique optique. Comme le dit Murray Barrett, responsable de l’équipe, « Je suis convaincu que nous disposons aujourd’hui de l’horloge la plus précise au monde. »

Pour mesurer le temps, cette horloge s’appuie sur un seul ion de lutécium, un atome chargé électriquement. Un laser est réglé sur la fréquence correspondant au passage d’un électron entre deux niveaux d’énergie. Les oscillations de sa lumière servent alors de référence pour compter le temps.

Le lutécium présente un avantage important par rapport à d'autres éléments chimiques métalliques. Il est peu sensible aux perturbations extérieures telles que les variations de température et les champs magnétiques qui sont susceptibles de fausser les mesures d'une horloge atomique.

Quand cinq millimètres font la différence

Pour vérifier leurs résultats, les scientifiques ont comparé deux horloges au lutécium pendant 200 heures. Leurs mesures concordaient avec une incertitude exceptionnellement faible.

À ce niveau de précision, même la hauteur des dispositifs compte. Sous l’effet de la gravité, le temps s’écoule légèrement plus vite lorsqu’on s’élève. La comparaison était assez sensible pour déceler l’effet d’un dénivelé de cinq millimètres. Les chercheurs ont donc dû mesurer la différence de hauteur entre leurs deux ions avec une précision inférieure au millimètre.

« À l’avenir, je ne vois tout simplement pas comment cette horloge pourrait être surpassée », ajoute Murray Barrett. Ce record pourrait aussi avoir des conséquences sur la définition de la seconde.

Miniaturiser l’horloge sans perdre en précision

Depuis les années 1960, les atomes de césium servent de référence pour définir la seconde. Les horloges atomiques optiques, comme celle au lutécium, s'appuient sur des fréquences plus élevées. Elles comptent davantage d'oscillations sur une même durée, ce qui permet une mesure plus fine du temps. Ces progrès pourraient donc conduire à une nouvelle définition de la seconde à partir de 2030.

« L’étape suivante consiste à miniaturiser l’horloge de laboratoire pour en faire un système transportable », explique Michael Lee, co-auteur de l’étude. Une version transportable de l’horloge permettrait de la comparer à d’autres dispositifs et de tester ses applications sur le terrain. Le défi sera donc de réduire sa taille tout en conservant le même niveau de précision.

Crédits : Nature