Vers une redéfinition de la seconde grâce aux horloges optiques

La seconde est l’unité de temps du système international. Elle a d’abord été définie grâce à l’astronomie, à partir de la rotation de la terre sur elle-même, puis par la rotation de la terre autour du soleil. Depuis 1967, elle est mesurée grâce à des horloges atomiques fonctionnant au césium 133. Cette mesure physique est très précise puisque son incertitude relative est de l’ordre de 10^-16. Sauf que depuis une quinzaine d’années, une nouvelle génération d’horloges atomiques, cent fois plus précises, est en cours de développement : les horloges optiques. Lors de la dernière Conférence générale des poids et mesures (CGPM), l’organe décisionnel de la Convention du Mètre, chargé de prendre les décisions en matière de métrologie, une résolution a été adoptée pour qu’elles soient amenées à devenir, à terme, les nouveaux étalons de temps.

« Les horloges optiques commencent déjà à être utilisées dans le domaine spatio-temporel, par exemple pour le positionnement des satellites, explique Sébastien Bize, directeur du LNE-SYRTE (Laboratoire national de métrologie et d’essais – Système de références temps-espace). Elles sont amenées à se développer, mais il ne faut pas que cela se fasse en dehors du cadre de référence du système d’unités. À l’avenir, il est donc important de redéfinir comment est mesurée cette unité de temps, et que cela fasse l’objet d’un accord international. »

Les horloges au césium établissent la mesure à partir de la fréquence d’une radiation située dans la partie micro-onde du spectre électromagnétique. Grâce à elles, le temps atomique ne dévie pas de plus d’une seconde par tranche de 100 millions d’années. Les horloges optiques consistent quant à elles à confiner des atomes dans un piège de lumière, appelé « réseau optique », et à étudier leur transition à des fréquences beaucoup plus élevées. Résultat : elles permettent d’atteindre une exactitude de fréquence relative de l’ordre de 10^-18, qui correspondrait à une dérive d’une seconde sur une durée équivalente à l’âge de l’univers.

Plusieurs laboratoires ont déjà démontré que des échelles de temps élaborées à partir d’un ou de plusieurs étalons de fréquence optiques ont le potentiel de présenter une exactitude plus élevée que l’échelle de temps fondée sur l’actuelle définition de la seconde. Malgré tout, le chemin est encore long avant qu’une infrastructure métrologique mondiale robuste et pérenne, ne soit capable de supplanter le césium.

Des propositions doivent être formulées en 2026

Le Comité international des poids et mesures (CIPM), qui a pour mission de promouvoir l’uniformisation mondiale des unités de mesure, est chargé de formuler des propositions lors de la prochaine CGPM, qui se tiendra en 2026. Et à l’intérieur de cette instance, c’est le Comité consultatif du temps et des fréquences (CCTF) qui a pour rôle d’identifier la meilleure espèce candidate ou le meilleur ensemble d’espèces candidates qui pourraient servir de fondement à une nouvelle définition. Charge à lui également de préparer une feuille de route décrivant les actions et le calendrier nécessaires pour pouvoir adopter une nouvelle définition de la seconde.

Deux options ont d’ores et déjà été retenues. La première consiste à sélectionner une transition particulière, dans le domaine optique, d’un atome ou d’un ion, de la même manière que la définition actuelle est liée au seul césium. Actuellement, une dizaine de transitions atomiques sont dites prometteuses, parmi lesquels le strontium et l’ytterbium neutre, ainsi que les ions ytterbium et aluminium. La seconde option sur la table, repose non pas sur une seule transition, mais intrinsèquement sur un ensemble de transitions, chacune permettant séparément de réaliser la définition.

En France, le LNE est l’organisme qui pilote du réseau national de métrologie, et en matière de temps-fréquence, ce pilotage est réalisé avec le SYRTE et l’Observatoire de Paris. Ils assurent 40 % des étalonnages primaires du Temps atomique international (TAI) au niveau mondial et ont développé plusieurs horloges optiques. « Nous nous intéressons à trois atomes : le strontium, le mercure, et très récemment l’ytterbium, pour lequel on vise à développer une horloge transportable, pour des applications purement métrologiques. Elle nous permettra aussi de réaliser de la géodésie chronométrique, afin de la déplacer sur des sites d’intérêt, et avoir une connaissance du potentiel de gravitation de la terre », révèle Sébastien Bize.