Aujourd'hui, c'est le césium 133 qui rythme nos vies. Cet atome a en effet pris une place prépondérante dans les 230 horloges atomiques, installées dans une cinquantaine de pays, qui dictent l'heure exacte sur la planète. Or, voilà que le césium, qui vibre plus de 9 milliards de fois chaque seconde avec une régularité exceptionnelle, est devenu trop paresseux. Pour améliorer la précision des horloges, les chercheurs se penchent sur des atomes qui, quand on leur fournit une pichenette énergétique, se trémoussent encore plus vite. Afin de cerner ces petites poussières de seconde qui peuvent avoir de grandes conséquences lorsqu'on se préoccupe du comportement de galaxies lointaines ou qu'on cherche à positionner un objet au millimètre près grâce au GPS, le système de positionnement par satellite. Ainsi, le 13 juillet dernier dans la revue Science, des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder et de l'Institut Max Planck à Garching, en Allemagne, ont présenté un prototype d'horloge qui est réglé à l'aide d'un unique ion de mercure qui vibre un million de milliards de fois par seconde! La précision passe donc à la femtoseconde (10-15 sec). Pierre Thomann, directeur adjoint de l'Observatoire cantonal de Neuchâtel, présente les principes de cet exploit technologique.

Construire une horloge précise, c'est trouver un objet qui oscille le plus régulièrement possible. Le balancier a longtemps rythmé, de façon bien visible, l'avance des aiguilles d'une montre. Un mécanisme freiné par l'air et les rouages, qu'il fallait remonter régulièrement pour éviter qu'il ne s'arrête définitivement. Dans les années 1930, les horlogers se tournent vers un autre oscillateur, le quartz, qui vibre un peu comme un diapason lorsqu'on lui fournit une impulsion électrique. Il suffit ensuite de compter les oscillations pour déterminer le temps qui s'écoule. C'est la révolution: comme le minéral vibre à une fréquence élevée – quelques milliers à quelques millions de fois par seconde selon la taille du cristal – l'imprécision sur la mesure du temps se restreint. Mais, à y regarder de plus près, les maniaques de l'heure juste ont remarqué que cette fréquence dépend de la température et… de l'âge du cristal. Ce qui entraîne une imprécision de l'ordre d'une milliseconde par jour.

Malgré tout satisfaits du quartz – le minéral transmet facilement ses vibrations au mouvement de l'horloge par un signal électrique – les scientifiques ont alors cherché à l'assister par un autre oscillateur, vraiment régulier celui-là, qui le contrôlerait et ajusterait la fréquence du signal qu'il génère. Ils sont allés chercher au plus profond de la matière, l'atome. Parmi plusieurs candidats, ils ont choisi le césium 133. Ils y ont trouvé un pendule aussi impalpable que fiable: un électron qui, mis dans un champ magnétique à fréquence de résonance de 9 gigahertz, oscille comme une aiguille aimantée au-dessus de son noyau. Reste à observer cette danse de l'électron, qu'on sait repérer à un millième d'oscillation près. Plus on l'observe longtemps, plus la mesure sera précise. Il est possible de l'observer sur une demi-seconde – env. 5 milliards d'oscillations – puis de mesurer le temps exact au millième d'oscillation près, ce qui donne une imprécision de l'ordre de 100 femtosecondes.

Pour améliorer cette performance, on peut augmenter quelque peu le temps d'observation. Mais, il est aussi possible de choisir un oscillateur plus rapide. C'est la voie empruntée par l'équipe de l'Américain Dave Wineland, qui a abouti à la création de l'horloge atomique optique à ion de mercure. L'oscillateur est aussi un électron, qui change de niveau d'énergie lorsqu'on lui envoie un photon à une longueur d'onde précise. Le contrôle de la longueur d'onde du photon, qui doit être réalisé avec une précision phénoménale, représentait depuis de longues années le défi technologique à surmonter pour réaliser une nouvelle génération d'horloges. Ce pas a été franchi grâce à l'invention du laser à femtoseconde, une trouvaille qui a valu à Ahmed Zewail, son inventeur, le Prix Nobel de chimie en 1999 et aux améliorations qui lui ont été apportées par l'équipe de Theodor Hänsch à Munich.