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Métrologie du temps

Les comparaisons de temps

L'établissement du Temps Atomique International TAI est réalisé par le BIPM à partir des comparaisons d'environs 250 horloges atomiques présentes dans différents laboratoires. Ces comparaisons sont obtenues soit par comparaison locale, soit par des techniques radiofréquences : observations simultanées de satellites du système GPS, ou méthode à deux voies " Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer - TWSTFT ".

a. comparaison de temps par GPS en vues communes

Chaque laboratoire qui participe à la comparaison reçoit simultanément, grâce à un récepteur, les signaux horaires issus d'un même satellite du GPS. Les temps d'arrivée des signaux sont datés grâce à l'horloge de la station réceptrice alors que les temps d'émission de ces signaux par un satellite quelconque sont datés dans l'échelle de temps de l'horloge embarquée par ce satellite. Un algorithme permet d'établir la correspondance entre l'échelle de temps du satellite et le temps du GPS. En faisant une simple différence des observations effectuées aux mêmes instants dans les deux stations, le temps du GPS disparaît et il est ainsi possible d'obtenir la différence de lecture des horloges des deux stations.

b. Comparaison de temps par TWSTFT

Depuis mars 2003, le LNE-SYRTE est équipé d'une station TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) opérant en bande Ku (bande de fréquence 12 GHz-18GHz en usage dans les télécommunications par satellites) et dédiée aux comparaisons des signaux horaires entre des horloges atomiques (distantes et situées au sol) via des liaisons radiofréquences avec un satellite de télécommunications. Les signaux horaires sont transmis au même instant, le signal d'une station est reçu et mesuré par l'autre station. L'échange des données de mesure permet de calculer la différence entre deux horloges. L'exactitude du résultat dépend des effets résiduels non réciproques sur les retards de propagation des signaux. La technique TWSTFT apporte une exactitude six fois meilleure que celle obtenu par le système GPS.

Station TWSTFT du LNE-SYRTE
Station TWSTFT du LNE-SYRTE

EGNOS

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) est un système européen, réalisé par l'Agence spatiale européenne (ESA), dont le but est de compléter et d'améliorer les systèmes de navigation américain (GPS) et russe GLONASS. Il est l'équivalent du système américain WAAS ou japonais MSAS. Dans son message de navigation, EGNOS proposera aux utilisateurs, notamment l'aviation civile, un raccordement de son échelle de temps de référence ENT à l'UTC via un ou plusieurs UTC(k) européens dont UTC(OP) qui alimente une station du segment sol installée à l'Observatoire de Paris, sous la responsabilité du CNES (Centre National d'Etudes spatiales).

Métrologie des fréquences micro-ondes

Le programme spatial ACES/PHARAO

PHARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) est une horloge de type fontaine à atomes froids, développée par le LNE-SYRTE à l'Observatoire de Paris et le Laboratoire Kastler Brossel à l'Ecole Normale Supérieure, dans le cadre du projet spatial européen ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Le principe du projet ACES est d'installer à bord de la station Spatiale Internationale ISS, l'horloge atomique PHARAO, un maser à hydrogène et des moyens de comparaisons de temps et de fréquences performants. Le projet ACES qui devrait prendre forme à l'horizon 2010, permettra à PHARAO de fonctionner en microgravité et ainsi de contourner la limitation imposée par l'accélération de la pesanteur dans les fontaines atomiques. Les objectifs sont de mesurer le temps avec une exactitude et une stabilité jamais atteintes à ce jour, de réaliser des comparaisons d'horloges et des expériences de physique fondamentale (mesure du décalage vers le rouge, recherche d'une éventuelle anisotropie de la vitesse de la lumière, recherche d'une éventuelle dérive de la constante de structure fine α).

Horloges compactes

Le LNE-SYRTE développe une horloge compacte à atomes froids dans laquelle les étapes de refroidissement des atomes, de préparation de l'état atomique, d'interrogation micro-ondes et de détection du signal sont réalisées dans la cavité micro-ondes afin de minimiser le volume utile. Cette horloge nommée HORACE (Horloge à Refroidissement d'Atomes en Cellule) est susceptible d'être embarquée dans les satellites constituant le système de positionnement et de radionavigation européen GALILEO, et tirera donc partie d'un fonctionnement en micro-gravité.

Satellite
Satellite

Métrologie des fréquences optiques

Aujourd'hui les performances ultimes des fontaines atomiques sont presque atteintes, et rien ne semble envisageable pour améliorer significativement l'exactitude ou la stabilité sans dégrader l'autre.

Des horloges à atomes froids utilisant des transitions dans le domaine optique sont en cours de développement et semblent très prometteurs pour améliorer de manière conséquente les niveaux d'exactitude et de stabilité. Deux types d'horloges optiques peuvent être réalisés : Celles fonctionnant avec un ion piégé et celles utilisant des atomes neutres.

Le LNE-SYRTE et le LNE-INM ont choisi de développer des horloges optiques à partir d'atomes neutres piégés. Le niveau de performance recherché avec ces horloges optiques impose que les atomes soient confinés dans un réseau optique afin d'en parfaitement contrôler le mouvement. Sur ces atomes ainsi capturés il est alors possible d'observer la transition d'horloge.

Le choix du LNE-SYRTE s'est porté d'une part sur une horloge à atomes froids de strontium dont la transition d'horloge est 698 nm, et d'autre part, sur une horloge à atomes froids de mercure dont la transition d'horloge est 265 nm. Les avantage de cette dernière horloge sont que l'atome de mercure présente un très faible déplacement de fréquence lié au rayonnement thermique et une très grande sensibilité à d'éventuelles variations de la constante de structure fine α.

Le LNE-INM réalise quant à lui de une horloge optique basée sur une transition à deux photons très fine dans l'atome d'argent au voisinage de 661,2 nm, les atomes d'argent étant refroidis dans un piège magnéto-optique.

Le développement de plusieurs horloges permettra à terme de réaliser des évaluations mutuelles d'exactitude à des niveaux très faibles.

Nuage d'atomes froids de Srontium
Nuage d'atomes froids de Srontium

La comparaison des horloges optiques et des horloges fonctionnant dans le domaine des fréquences micro-ondes, dont les gammes de fréquences sont séparées par plusieurs ordres de grandeurs, est un problème complexe qui s'est résolu depuis peu avec l'apparition des lasers femtoseconde. Avant ces mesures s'appuyaient sur l'emploi d'éléments non linéaires dont la mise en oeuvre était très complexe. Aujourd'hui les lasers femtoseconde à modes bloqués en phase constituent aujourd'hui le moyen de mesure de fréquence le plus fiable. Associé à une fibre à cristal photonique, ces lasers génèrent un peigne de fréquence qui s'étend d'environ 1100 nm à 450 nm, ce qui permet de mesurer des mesures sur tout ce domaine spectral. L'objectif à terme est de réaliser ces comparaisons avec une résolution inférieure à 10-16.

laser femtoseconde
Laser femtoseconde

Métrologie des capteurs inertiels

Le développement récent des techniques de refroidissement d'atomes par laser a ouvert la voie à de nouveaux types de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique dont le principe est similaire à un interféromètre de Mach-Zehnder en optique. Ainsi, un gyromètre-accéléromètre et un gravimètre sont réalisés par Le LNE-SYRTE.

Gyromètre-accéléromètre

La source du gyromètre-accéléromètre développée au LNE-SYRTE est un nuage d'atomes froids de césium lancé suivant un angle de 8° par rapport à la verticale, sur une trajectoire parabolique, puis préparé dans un état quantique bien déterminé. L'interféromètre de type Ramsey-Bordé symétrique est réalisé en créant des séparatrices et des miroirs à l'aide de trois transitions Raman stimulées contrapropageantes. Les atomes en chute libre constituent un référentiel d'inertie par rapport auquel les mouvements de rotation et d'accélération du plan d'interférométrie sont détectés en mesurant le déphasage entre les deux bras de l'interféromètre. En outre, deux jets thermiques d'atomes froids de césium contrapropageants sont utilisés pour distinguer la contribution au déphasage de la rotation et celle de l'accélération.

«  gyrondex.5 » : gyromètre-accéléromètre à atomes froids de césium
« gyrondex.5 » : gyromètre-accéléromètre à atomes froids de césium

schéma de principe du gyromètre (TF-schema-gyrometre)
Schéma de principe du gyromètre (TF-schema-gyrometre)

Gravimètre

Pour réaliser la nouvelle définition du kilogramme, l'expérience de la balance du Watt doit disposer d'une mesure de l'attraction terrestre g avec une exactitude de 10-9. Pour cela, le LNE-SYRTE développe un gravimètre absolu dont le principe est de mesurer, au moyen de trois impulsions laser, la position des atomes froids en chute libre en trois instants.

« gravi » : enceinte à vide du gravimètre
« gravi » : enceinte à vide du gravimètre

Laboratoires associés

Pour atteindre les performances ultimes des fontaines atomiques, des dispositifs oscillateurs présentant une très grande stabilité de fréquence sont indispensables. C'est pourquoi, le LNE-FEMTO-ST/LPMO développe des oscillateurs à résonateur à saphir cryogénique ayant des instabilités relatives très faibles, et dont les oscillations sont entretenues par un amplificateur installé en dehors de l'enceinte cryogénique. Par ailleurs, ces dispositifs s'accompagnent de systèmes d'asservissement pour assurer la stabilité en fréquence.

Résonateur à saphir cryogénique
Résonateur à saphir cryogénique

Le LNE-FEMTO-ST/LPMO travaille aussi sur l'obtention d'un effet maser dans un oscillateur cryogénique dopé au fer. En effet, des résultats récents montrent que la croissance du cristal de saphir introduit des impuretés dont des ions ferriques Fe3+, qui possèdent trois niveaux d'énergie. Une excitation de fréquence adéquate permet de faire transiter les électrons du premier niveau d'énergie vers le troisième, suivi d'une relaxation sur le second. Dès lors, un résonateur en saphir peut être utilisé dans un mode de fonctionnement maser à mode de galerie.

LE LNE-OB développe un système " SYREF " de raccordement continu aux références nationales de temps et de fréquence par comparaison GPS. Ce système se présente sous la forme d'un ordinateur industriel incluant une carte métrologique développé par le LNE-OB, et met en oeuvre un module GPS commercial. Ce dispositif représente une alternative au raccordement en fréquence par la porteuse de France Inter.