La seconde : quelques éléments historiques

Jusqu’à sa dernière redéfinition en 1967, la seconde relevait du domaine de l’astronomie : définie à l’origine comme la fraction 1/86 400 du jour solaire moyen (le jour moyen étant la durée que met la Terre pour faire une révolution sur elle-même, définie par les astronomes), cette première définition souffrait des irrégularités de la rotation de la Terre. En 1960, lors de la 11ème Conférence générale des poids et mesures (CGPM), la seconde est alors redéfinie comme la fraction 1/31 556 925,9747 de l'année tropique, et gagne en précision.

En parallèle, la CGPM invite les laboratoires nationaux et internationaux à poursuivre leurs travaux pour réaliser un étalon de la mesure de l’unité de temps basé sur une transition entre deux niveaux d'énergie d'un atome. Il faudra sept années de travaux  pour que la CGPM considère que « l’étalon de fréquence est maintenant suffisamment éprouvé et suffisamment précis pour servir à une définition de la seconde répondant aux besoins actuels » et adopte la nouvelle définition de la seconde. Redéfinie comme :

Pour mesurer ces périodes de l'atome de césium 133, on utilise des horloges atomiques. Actuellement, les meilleures horloges atomiques (les fontaines atomiques), utilisant les atomes froids de césium, ont des incertitudes de fréquence relatives de quelque 10^-16 mais atteignent leurs limites fondamentales. De nouvelles horloges, basées sur des transitions dans le domaine des fréquences optiques (100 000 fois supérieures à la fréquence de transition du césium), ont pu démontrer des incertitudes dans la gamme des 10^-17, voire des 10^-18.

Vers une nouvelle définition de la seconde

Une nouvelle définition de la seconde devrait être concrétisée d’ici à 2025. Parmi les pistes étudiées : les horloges optiques, qui devraient permettre de sortir de la définition actuelle car on a atteint une limite de précision.

Dans le cadre de cette future redéfinition de la seconde en termes de fréquences optiques et non plus d’oscillations de l’atome de césium, une équipe du LNE-SYRTE a mis au point une méthode innovante pour la stabilisation de fréquences des lasers utilisés pour sonder les transitions optiques. Et augmenter ainsi la précision de la mesure.

Il s’agit désormais de mesurer la fréquence d’une transition optique dans des atomes de strontium. Cette nouvelle approche, consiste à confiner des atomes dans un « piège de lumière », appelé réseau optique, et à étudier avec des lasers leur transition à des fréquences plus élevées (1 015 Hz). Le CNRS, avec le LNE-SYRTE, a ainsi construit deux horloges « optiques » fonctionnant avec des atomes de strontium. Des horloges qui ont des résultats parfaitement « traçables » sur le plan métrologique quand on les compare aux actuels étalons primaires au césium, mais promettent une meilleure précision (à 16 chiffres, donc de 10^-16), surclassant ainsi la définition actuelle de la seconde.

Des lasers plus fiables

Cependant, pour y parvenir, les performances de ces horloges optiques restent encore à améliorer. En cause, les lasers utilisés pour l’interrogation des transitions atomiques, car ils présentent des problèmes de stabilité de fréquences.

Dans le cadre du programme PALEMC (projet d’asservissement laser sur l’europium en matrice cristalline) mené de 2013 à 2016, le LNE-SYRTE a ainsi mis au point un laser dit « sur trous brûlés spectraux », et avec lui une méthode innovante pour cette stabilisation de fréquences. Cela pourrait permettre d’améliorer significativement la précision des horloges optiques actuelles.

La majeure partie du système expérimental est en place au LNE-SYRTE, et les travaux menés ont d’ores et déjà permis d’obtenir des précisions de l’ordre de 10^-14. D’autres études sont en cours dans le cadre du projet LASTRAHO qui fait suite à PALEMC, afin d’identifier les facteurs limitant et en vue d’améliorer la précision à 10^-17… Voire mieux !

Conférence « La seconde : vers une redéfinition ? »