Principe de fonctionnement

Introduction au fonctionnement de l'horloge atomique

• le postulat de Bohr :En 1913,le physicien danois Niels Bohr élabore un nouveau modèle de l'atome qui associe le modèle classique de Rutherford et le modèle quantique (de Planck). Dans celle-ci , il admet que les électrons sont régulièrement disposés dans l'espace en couches (ou niveaux quantiques) et gravitent a distance fixe du noyau tant que celui-ci reste stable .Cependant selon Bohr il est possible d'exciter un atome en lui fournissant de l'énergie (chaleur, énergie électromagnétique, bombardement de neutrons...).Les électrons externes(les plus éloignés du noyau) sautent vers un niveau d'énergie supérieur (ils s'éloignent encore plus !!) en émettant ou en captant un photon. Ces niveaux d'énergie prennent, selon la théorie quantique, des valeurs fixes discontinues. A chaque transition électronique correspond donc un rayonnement de longueur d'onde connue (cf Loi de Wien) qui permet en quelque sorte de fixer une ‘carte d'identité' de chaque atome (spectres d'émission et d'absorption). Une nouvelle branche de la science était née :la spectroscopie.


Annexes ;

1)Les différents modèles de l'atome :Doc3.doc

2)Un exemple de spectre dit d'émission, celui de l'hydrogène :Doc4.doc
Spectre de l'hydrogène
Lorsque l'électron de l'atome d'hydrogène passe d'un niveau d'énergie donné à un niveau inférieur, il libère un photon, dont l'émission peut être observée à l'aide d'un spectroscope. La série de Lyman correspond aux transitions d'électrons dans le niveau d'énergie le plus bas. Ces transitions se traduisent par l'émission de photons dans le domaine du visible.

( Source:Encyclopédie Microsoft ® Encarta ® 2003. © 1993-2002 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.)

 

Mais quel est le rapport avec l'horloge atomique ??
Le rapport qu'il existe entre cette théorie et l'horloge atomique est étroit. Dans la mesure ou le rayonnement émis par un atome excité est connu (et démontré) on peut se servir de la période d'oscillation des radiations émises par cet atome pour fixer une échelle de temps absolument indépendante des conditions extérieures (période de rotation de la Terre autour du Soleil par exemple)
.

 

Le fonctionnement d’une horloge atomique

Le principe de fonctionnement d’une horloge atomique est basé sur la transition atomique, aspect fondamental de la physique quantique, qui correspond au passage de l'atome d'un état à un autre. Or, ces transitions sont parfaitement définies, et la transition hyperfine du césium 133 fixe la seconde.

Un oscillateur, l’horloge proprement dite, renseigne sur le temps, et il est couplé à un système d’atomes de césium : en interrogeant régulièrement ce système atomique, on peut corriger les variations de l’oscillateur, et ainsi le caler sur l’oscillation très précise d’une transition atomique. L’objectif est donc d’accorder les vibrations d’un oscillateur à quartz ultra-stable sur la fréquence hyperfine du césium, et de ne plus en bouger.

Les principaux constituants d’une horloge atomique sont cet oscillateur à quartz, la source de césium unidirectionnel, pour produire un jet, la cavité de Ramsey et le système d’asservissement.

On détaillera le fonctionnement d’une horloge atomique en 4 parties correspondant à 4 étapes fondamentales : la sélection d’entrée des atomes, la phase d’interrogation dans la cavité de Ramsey, la sélection de sortie des atomes et enfin la boucle d’asservissement.

 

 

 

 

  1. La sélection d’entrée des atomes

Les éléments du système sont placés dans une enceinte à vide, afin que les molécules d’air résiduelles n’empêchent pas le faisceau de césium de se propager en ligne droite.

Sur le schéma, on peut voir un four sur la gauche : il contient moins d’un gramme de césium que l’on chauffe à 100°. Ainsi chauffés, les atomes jaillissent d’une étroite fente percée dans l’enceinte du four avec une vitesse de l’ordre de 250m/s. C’est le jet d’atome de césium.

Ils forment un mélange : environ 50% d’entre eux sont dans létat A tandis que les 50% restants sont dans létat B. Or, les atomes dans ces deux états ont des propriétés magnétiques différentes. Dans un champ magnétique, ils se comportent comme de petits aimants qui s’orientent différemment: c’est pourquoi, à la sortie du four, les atomes de césium sont envoyés à travers un aimant à la forme soigneusement étudiée où règne un champ magnétique dans lequel les atomes suivent des trajectoires différentes selon leur état.

Ainsi, seul les atomes qui sont dans l’état A sont envoyés dans la cavité de Ramsey, et sont prêts à subir une transition.

 

  1. La phase d’interrogation dans la cavité de Ramsey

Un oscillateur à quartz génère une onde électromagnétique de fréquence égale à 10 000 mégahertz. Cette fréquence est multipliée par un dispositif électronique pour obtenir un signal de l’ordre des 9 192 631 770 Hertz, fréquence à laquelle les atomes de césium 133 subissent un changement d’état dans la nature, mais ils ignorent toute onde de mauvaise fréquence.

 

Les atomes de césium dans l’état A sont envoyés dans une région de l’espace (la cavité de Ramsey) où règne ce champ électromagnétique dont la fréquence est déterminée par la fréquence de l’oscillateur à quartz.

 

Dans l’idée du scientifique Rabi, les atomes traversent un long tube où ils rencontrent des micro-ondes. Plus ils y restent longtemps, plus précise sera la détermination de  la fréquence de transition.

Cependant, Norman Ramsey avait remarqué qu’il n’y avait nul besoin de faire passer les atomes par un long tube rempli de micro-ondes : on pouvait obtenir la transition aussi efficacement en soumettant les atomes à deux brèves impulsions de micro-ondes, plutôt qu’à une exposition prolongée.

Ainsi, le bénéfice est double : cette méthode simplifie la construction de l’horloge (il est difficile de contrôler l’exposition dans un long tube) et accroît sa sensibilité.

Cette cavité résonnante, dénommée cavité de Ramsey, se divise en deux bras en forme de U renversé, comme on peut le voir sur le schéma.

 Le jet de césium passe d’abord au travers d’un trou percé dans le second bras. Lors de chacun des deux passages, le jet reçoit une impulsion de micro-ondes identique. Si la fréquence des micro-ondes est bien accordée à la fréquence de transition, la première impulsion met les atomes dans un état ‘fantomatique’, une superposition quantique de deux états hyperfins, et la deuxième impulsion finit le travail en les expédiant dans l’état opposé.

 

 

Lorsque la fréquence émise environne la fréquence recherchée, le nombre d’atomes oscille, formant des franges sur le graphe : la largeur de chaque frange est égale à l’inverse du temps de vol entre le deux cavités.

  1. La sélection de sortie des atomes

Quand il émerge du second bras de la cavité de Ramsey, le jet comporte à nouveau deux types d’atomes de césium : ceux qui ont subi une transition, et ceux qui n’en ont pas subi. Un deuxième filtre magnétique les sépare alors, exactement comme la première fois. La géométrie est conçue de telle façon que seuls les atomes qui ont subi une transition arrivent dans le détecteur

 

  1. La boucle d’asservissement

 

Un détecteur, placé sur le trajet des atomes ayant subi une transition, compte le nombre d’atomes reçu : c’est l’étage de détection.

Ce détecteur est un fil métallique chauffé au rouge, face à une plaque de métal. Or, l’électron externe du césium, celui qui lui confère ses propriétés magnétiques, est très faiblement lié au reste de l’atome. La température du fil est suffisante pour arracher cet électron, tout en laissant l’atome lui-même (devenu un ion positif) rebondir vers la plaque métallique négativement chargée, où il est capturé. Un courant électrique parcourt donc cette plaque, dont l’intensité est proportionnelle au nombre d’atomes ayant subi la transition hyperfine au travers de l’appareillage.

La fréquence de l’émetteur qui alimente la cavité est ainsi ajustée jusqu’à ce que le courant dans le détecteur présente un ‘maximum’ : c’est à ce moment que le nombre d’atome ayant subi une transition est maximal, et cela ne peut se produire que lorsque la fréquence micro-onde est égale à la fréquence de transition. 

Ainsi, en fonction de la réponse du détecteur, un système modifie la fréquence du quartz de telle sorte que le nombre d’atomes détectés ayant subi une transition soit maximal.

 

Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site

×