Réacteurs atomiques et cristaux électroniques Konstantin Chilovsky (né en 1881), ingénieur russe, inventeur. Il inventa un appareil de détection de sous-marins, qui fut largement utilisé pendant la Première Guerre mondiale (1914-1918). Pour l'invention, il a reçu l'Ordre français

Nous entendons souvent dire que les horloges atomiques affichent toujours l'heure exacte. Mais à partir de leur nom, il est difficile de comprendre pourquoi les horloges atomiques sont les plus précises ou comment elles fonctionnent.

Le fait que le nom contienne le mot "atomique" ne signifie pas du tout que la montre est un danger pour la vie, même si des pensées de bombe atomique ou de centrale nucléaire viennent immédiatement à l'esprit. Dans ce cas, on parle juste du principe de l'horloge. Si dans les horloges mécaniques ordinaires, les engrenages effectuent des mouvements vibratoires et que leurs mouvements sont comptés, alors dans les horloges atomiques, les oscillations des électrons à l'intérieur des atomes sont comptées. Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement, rappelons la physique des particules élémentaires.

Toutes les substances de notre monde sont constituées d'atomes. Les atomes sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Les protons et les neutrons se combinent pour former un noyau, également appelé nucléon. Les électrons se déplacent autour du noyau, qui peut être à différents niveaux d'énergie. La chose la plus intéressante est que lorsqu'il absorbe ou dégage de l'énergie, un électron peut passer de son niveau d'énergie à un niveau supérieur ou inférieur. Un électron peut recevoir de l'énergie d'un rayonnement électromagnétique en absorbant ou en émettant un rayonnement électromagnétique d'une certaine fréquence à chaque transition.

Le plus souvent, il existe des montres dans lesquelles les atomes de l'élément Césium -133 sont utilisés pour changer. Si en 1 seconde le pendule montres classiques fait 1 mouvement oscillatoire, puis les électrons dans les horloges atomiquesà base de césium 133, lorsqu'ils passent d'un niveau d'énergie à un autre, ils émettent un rayonnement électromagnétique d'une fréquence de 9192631770 Hz. Il s'avère qu'une seconde est divisée exactement en ce nombre d'intervalles, si elle est calculée en horloges atomiques. Cette valeur a été officiellement adoptée par la communauté internationale en 1967. Imaginez un cadran énorme, où il n'y a pas 60, mais 9192631770 divisions, qui ne sont qu'à 1 seconde. Il n'est pas surprenant que les horloges atomiques soient si précises et présentent de nombreux avantages : les atomes ne vieillissent pas, ne s'usent pas et la fréquence d'oscillation sera toujours la même pour un élément chimique, ce qui permet de comparer simultanément, par exemple, les lectures des horloges atomiques loin dans l'espace et sur Terre, ne craignant pas les erreurs.

Grâce aux horloges atomiques, l'humanité a pu en pratique tester l'exactitude de la théorie de la relativité et s'en assurer, que sur Terre. Les horloges atomiques sont installées sur de nombreux satellites et engins spatiaux, elles sont utilisées pour les besoins des télécommunications, pour les communications mobiles, elles comparent l'heure exacte sur toute la planète. Sans exagération, c'est grâce à l'invention de l'horloge atomique que l'humanité a pu entrer dans l'ère de la haute technologie.

Comment fonctionnent les horloges atomiques ?

Le césium-133 est chauffé par évaporation des atomes de césium, qui sont passés à travers un champ magnétique, où les atomes avec les états d'énergie souhaités sont sélectionnés.

Ensuite, les atomes sélectionnés traversent un champ magnétique avec une fréquence proche de 9192631770 Hz, ce qui crée un oscillateur à quartz. Sous l'influence du champ, les atomes de césium changent à nouveau leurs états d'énergie et tombent sur le détecteur, qui fixe le moment où le plus grand nombre d'atomes entrants aura le « bon » état d'énergie. Le nombre maximal d'atomes avec un état d'énergie modifié indique que la fréquence du champ micro-ondes est choisie correctement, puis sa valeur est introduite dans un appareil électronique - un diviseur de fréquence qui, en réduisant la fréquence d'un nombre entier de fois, obtient le chiffre 1, qui est la seconde de référence.

Ainsi, les atomes de césium sont utilisés pour vérifier la fréquence correcte du champ magnétique produit par l'oscillateur à cristal, aidant à le maintenir constant.

C'est intéressant: Bien que les horloges atomiques qui existent aujourd'hui soient d'une précision sans précédent et puissent fonctionner sans erreur pendant des millions d'années, les physiciens ne vont pas s'arrêter là. Utilisant des atomes de divers éléments chimiques, ils travaillent constamment à améliorer la précision des horloges atomiques. Parmi les dernières inventions - horloges atomiques sur strontium, qui sont trois fois plus précis que leur homologue au césium. Il leur faudrait 15 milliards d'années pour n'avoir qu'une seconde de retard, soit un temps de plus que l'âge de notre univers...

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Des horloges atomiques de haute précision qui font une erreur d'une seconde en 300 millions d'années. Cette horloge, qui a remplacé un ancien modèle qui avait une erreur d'une seconde en cent millions d'années, établit désormais la norme pour l'heure civile américaine. Lenta.ru a décidé de rappeler l'histoire de la création des horloges atomiques.

Premier atome

Pour créer une horloge, il suffit d'utiliser n'importe quel processus périodique. Et l'histoire de l'émergence des instruments de mesure du temps est en partie l'histoire de l'émergence de nouvelles sources d'énergie ou de nouveaux systèmes oscillatoires utilisés dans les montres. L'horloge la plus simple est probablement l'horloge solaire, qui ne nécessite que le soleil et un objet pour projeter une ombre pour fonctionner. Les inconvénients de cette méthode de détermination du temps sont évidents. L'eau et les sabliers ne valent pas mieux non plus : ils ne conviennent que pour mesurer des périodes de temps relativement courtes.

La plus ancienne horloge mécanique a été découverte en 1901 près de l'île d'Anticythère sur un navire coulé dans la mer Égée. Ils contiennent environ 30 engrenages en bronze dans un coffret en bois mesurant 33 sur 18 sur 10 centimètres et datent d'environ 100 av.

Depuis près de deux mille ans, les montres mécaniques sont les plus précises et les plus fiables. L'apparition en 1657 de l'œuvre classique de Christian Huygens "Horloge à pendule" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrya") avec une description d'un dispositif de référence de temps avec un pendule comme système oscillant, était probablement la apogée dans l'histoire du développement des dispositifs mécaniques de ce type.

Cependant, les astronomes et les navigateurs utilisaient encore le ciel étoilé et les cartes pour déterminer leur emplacement et l'heure exacte. La première horloge électrique a été inventée en 1814 par Francis Ronalds. Cependant, le premier instrument de ce type était imprécis en raison de sa sensibilité aux changements de température.

La suite de l'histoire des montres est liée à l'utilisation de différents systèmes oscillatoires dans les appareils. Introduites en 1927 par des employés des Bell Labs, les montres à quartz utilisaient les propriétés piézoélectriques d'un cristal de quartz : lorsqu'un courant électrique lui est appliqué, le cristal commence à rétrécir. Les chronomètres à quartz modernes peuvent atteindre une précision allant jusqu'à 0,3 seconde par mois. Cependant, comme le quartz est sujet au vieillissement, avec le temps, la montre devient moins précise.

Avec le développement de la physique atomique, les scientifiques ont proposé d'utiliser des particules de matière comme systèmes oscillants. C'est ainsi qu'est apparue la première horloge atomique. L'idée d'utiliser les vibrations atomiques de l'hydrogène pour mesurer le temps a été suggérée en 1879 par le physicien anglais Lord Kelvin, mais cela n'est devenu possible qu'au milieu du XXe siècle.

Reproduction d'un tableau d'Hubert von Herkomer (1907)

Dans les années 1930, le physicien américain et découvreur de la résonance magnétique nucléaire, Isidore Rabi, a commencé à travailler sur les horloges atomiques au césium 133, mais le déclenchement de la guerre l'en a empêché. Déjà après la guerre, en 1949, la première horloge moléculaire utilisant des molécules d'ammoniac a été créée au National Committee of Standards des États-Unis avec la participation d'Harold Lyonson. Mais les premiers instruments de mesure du temps n'étaient pas aussi précis que les horloges atomiques modernes.

La précision relativement faible était due au fait qu'en raison de l'interaction des molécules d'ammoniac entre elles et avec les parois du récipient dans lequel se trouvait cette substance, l'énergie des molécules a changé et leurs raies spectrales se sont élargies. Cet effet est très similaire au frottement dans une montre mécanique.

Plus tard, en 1955, Louis Esssen du National Physical Laboratory du Royaume-Uni a présenté la première horloge atomique au césium-133. Cette horloge a accumulé une erreur d'une seconde en un million d'années. L'appareil a été nommé NBS-1 et a commencé à être considéré comme un étalon de fréquence au césium.

Le schéma de circuit d'une horloge atomique est constitué d'un oscillateur à cristal commandé par un discriminateur de rétroaction. L'oscillateur utilise les propriétés piézoélectriques du quartz, tandis que le discriminateur utilise les vibrations énergétiques des atomes, de sorte que les vibrations du quartz sont suivies par des signaux provenant de transitions de différents niveaux d'énergie dans les atomes ou les molécules. Entre le générateur et le discriminateur se trouve un compensateur accordé sur la fréquence des vibrations atomiques et la comparant à la fréquence de vibration du cristal.

Les atomes utilisés dans l'horloge doivent fournir des vibrations stables. Chaque fréquence de rayonnement électromagnétique possède ses propres atomes : calcium, strontium, rubidium, césium, hydrogène. Ou encore des molécules d'ammoniac et d'iode.

norme de temps

Avec l'avènement des instruments de mesure du temps atomique, il est devenu possible de les utiliser comme étalon universel pour déterminer la seconde. Depuis 1884, l'heure de Greenwich, considérée comme la norme mondiale, a cédé la place à la norme des horloges atomiques. En 1967, par décision de la 12e Conférence générale des poids et mesures, une seconde a été définie comme la durée de 9192631770 périodes de rayonnement correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium-133. Cette définition d'une seconde ne dépend pas de paramètres astronomiques et peut être reproduite n'importe où sur la planète. Le césium-133, utilisé dans l'horloge atomique standard, est le seul isotope stable du césium avec 100% d'abondance sur Terre.

Les horloges atomiques sont également utilisées dans le système de navigation par satellite ; ils sont nécessaires pour déterminer l'heure exacte et les coordonnées du satellite. Ainsi, chaque satellite GPS dispose de quatre ensembles d'horloges de ce type : deux au rubidium et deux au césium, qui fournissent une précision de transmission du signal de 50 nanosecondes. Les satellites russes du système GLONASS disposent également d'appareils de mesure du temps atomique au césium et au rubidium, et les satellites du système de géopositionnement européen en cours de déploiement Galileo sont équipés d'appareils à hydrogène et au rubidium.

La précision des horloges à hydrogène est la plus élevée. Elle est de 0,45 nanoseconde en 12 heures. Apparemment, l'utilisation d'horloges aussi précises par Galileo mettra ce système de navigation sur le devant de la scène en 2015, lorsque 18 de ses satellites seront en orbite.

Horloge atomique compacte

Hewlett-Packard a été la première entreprise à développer une horloge atomique compacte. En 1964, elle crée l'instrument au césium HP 5060A, de la taille d'une grosse valise. La société a continué à développer cette direction, mais depuis 2005, elle a vendu sa division d'horloges atomiques à Symmetricom.

En 2011, Draper Laboratories et Sandia National Laboratories ont développé et Symmetricom a publié la première horloge atomique miniature quantique. Au moment de leur sortie, ils coûtaient environ 15 000 dollars, étaient enfermés dans un boîtier scellé mesurant 40 sur 35 sur 11 millimètres et pesaient 35 grammes. La consommation électrique de la montre était inférieure à 120 milliwatts. Initialement, ils ont été développés sur ordre du Pentagone et étaient destinés à servir des systèmes de navigation qui fonctionnent indépendamment des systèmes GPS, par exemple, en profondeur sous l'eau ou sur terre.

Déjà fin 2013, la société américaine Bathys Hawaii a présenté la première horloge atomique "au poignet". Ils utilisent la puce SA.45s fabriquée par Symmetricom comme composant principal. À l'intérieur de la puce se trouve une capsule contenant du césium-133. La conception de la montre comprend également des cellules photoélectriques et un laser de faible puissance. Ce dernier assure le chauffage du césium gazeux, à la suite duquel ses atomes commencent à passer d'un niveau d'énergie à un autre. La mesure du temps se fait juste en fixant une telle transition. Le coût du nouvel appareil est d'environ 12 000 dollars.

Les tendances à la miniaturisation, à l'autonomie et à la précision conduiront au fait que, dans un proche avenir, de nouveaux dispositifs utilisant des horloges atomiques apparaîtront dans tous les domaines de la vie humaine, de la recherche spatiale sur les satellites et les stations en orbite aux applications domestiques dans les systèmes d'intérieur et de poignet.

Les horloges atomiques sont les instruments de chronométrage les plus précis qui existent aujourd'hui et deviennent de plus en plus importantes à mesure que la technologie moderne progresse et devient plus sophistiquée.

Principe d'opération

Les horloges atomiques gardent une heure précise non pas en raison de la désintégration radioactive, comme cela pourrait sembler d'après leur nom, mais en utilisant les vibrations des noyaux et des électrons qui les entourent. Leur fréquence est déterminée par la masse du noyau, la gravité et "l'équilibreur" électrostatique entre le noyau chargé positivement et les électrons. Cela ne correspond pas tout à fait au mouvement d'horlogerie habituel. Les horloges atomiques sont des chronomètres plus fiables car leurs fluctuations ne changent pas avec les facteurs environnementaux tels que l'humidité, la température ou la pression.

L'évolution des horloges atomiques

Au fil des années, les scientifiques se sont rendus compte que les atomes avaient des fréquences de résonance associées à la capacité de chacun à absorber et à émettre un rayonnement électromagnétique. Dans les années 1930 et 1940, des équipements de communication et de radar à haute fréquence ont été développés qui pouvaient interagir avec les fréquences de résonance des atomes et des molécules. Cela a contribué à l'idée de la montre.

Les premiers exemplaires ont été construits en 1949 par le National Institute of Standards and Technology (NIST). L'ammoniac a été utilisé comme source de vibration. Cependant, ils n'étaient pas beaucoup plus précis que l'étalon de temps existant, et le césium a été utilisé dans la génération suivante.

nouvelle norme

Le changement dans la précision du temps était si important qu'en 1967, la Conférence générale des poids et mesures a défini la seconde SI comme 9 192 631 770 vibrations d'un atome de césium à sa fréquence de résonance. Cela signifiait que le temps n'était plus lié au mouvement de la Terre. L'horloge atomique la plus stable au monde a été créée en 1968 et a été utilisée dans le cadre du système de référence temporelle du NIST jusque dans les années 1990.

Voiture d'amélioration

L'une des dernières avancées dans ce domaine est le refroidissement par laser. Cela a amélioré le rapport signal sur bruit et réduit l'incertitude du signal d'horloge. Ce système de refroidissement et d'autres équipements utilisés pour améliorer l'horloge au césium nécessiteraient un espace de la taille d'un wagon de chemin de fer pour le loger, bien que les options commerciales puissent tenir dans une valise. L'un de ces laboratoires garde l'heure à Boulder, dans le Colorado, et est l'horloge la plus précise sur Terre. Ils ne se trompent que de 2 nanosecondes par jour, soit 1 s en 1,4 million d'années.

Technologie sophistiquée

Cette formidable précision est le résultat d'un processus de fabrication complexe. Tout d'abord, le césium liquide est placé dans un four et chauffé jusqu'à ce qu'il se transforme en gaz. Les atomes de métal sortent à grande vitesse par un petit trou dans le four. Les électroaimants les font se séparer en faisceaux séparés avec des énergies différentes. Le faisceau requis passe à travers le trou en forme de U et les atomes sont exposés à l'énergie micro-onde à une fréquence de 9.192.631.770 Hz. Pour cette raison, ils sont excités et passent à un état énergétique différent. Le champ magnétique filtre alors les autres états énergétiques des atomes.

Le détecteur réagit au césium et affiche un maximum à la valeur de fréquence correcte. Ceci est nécessaire pour configurer l'oscillateur à cristal qui contrôle le mécanisme de synchronisation. Diviser sa fréquence par 9.192.631.770 donne une impulsion par seconde.

Non seulement le césium

Bien que les horloges atomiques les plus courantes utilisent les propriétés du césium, il en existe également d'autres types. Ils diffèrent par l'élément utilisé et les moyens par lesquels le changement est défini. niveau d'énergie. D'autres matériaux sont l'hydrogène et le rubidium. Les horloges atomiques à hydrogène fonctionnent comme les horloges au césium, mais nécessitent un récipient dont les parois sont faites d'un matériau spécial qui empêche les atomes de perdre de l'énergie trop rapidement. Les montres Rubidium sont les plus simples et les plus compactes. Dans ceux-ci, une cellule de verre remplie de rubidium gazeux modifie l'absorption de la lumière lorsqu'elle est exposée à la fréquence des micro-ondes.

Qui a besoin d'une heure précise ?

Aujourd'hui, le temps peut être compté avec une extrême précision, mais pourquoi est-ce important ? Cela est nécessaire dans des systèmes tels que les téléphones portables, Internet, le GPS, les programmes d'aviation et la télévision numérique. A première vue, ce n'est pas évident.

Un exemple de la précision de l'heure utilisée est la synchronisation des paquets. Des milliers d'appels téléphoniques passent par la ligne médiane. Ceci n'est possible que parce que la conversation n'est pas transmise complètement. La société de télécommunications le divise en petits paquets et ignore même certaines informations. Ensuite, ils traversent la ligne avec des paquets d'autres conversations et sont restitués à l'autre bout sans se mélanger. Le système d'horloge du central téléphonique peut déterminer quels paquets appartiennent à une conversation donnée à l'heure exacte à laquelle l'information a été envoyée.

GPS

Une autre mise en œuvre de l'heure précise est le système de positionnement global. Il se compose de 24 satellites qui transmettent leurs coordonnées et leur heure. N'importe quel récepteur GPS peut s'y connecter et comparer les heures de diffusion. La différence permet à l'utilisateur de déterminer leur emplacement. Si ces horloges n'étaient pas très précises, le système GPS serait peu pratique et peu fiable.

La limite de la perfection

Avec le développement de la technologie et des horloges atomiques, les inexactitudes de l'univers sont devenues perceptibles. La Terre se déplace de manière inégale, ce qui entraîne des fluctuations aléatoires dans la durée des années et des jours. Dans le passé, ces changements seraient passés inaperçus car les outils de chronométrage étaient trop imprécis. Cependant, à la grande consternation des chercheurs et des scientifiques, les horloges atomiques doivent être ajustées pour compenser les anomalies du monde réel. Ce sont des outils incroyables pour faire progresser la technologie moderne, mais leur perfection est limitée par les limites fixées par la nature elle-même.