“Nous sommes particulièrement intéressés par la fréquence”

La théorie de la relativité d’Albert Einstein stipule que le temps passe d’autant plus lentement que l’on se rapproche d’un objet massif. Une équipe de recherche en a profité pour déterminer la différence de hauteur entre Braunschweig et Munich. Dans une interview avec World of Physics, Christian Lisdat de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt révèle comment utiliser une horloge atomique dans une remorque de voiture pour mesurer des différences de hauteur avec une précision de quelques centimètres.

Monde de la physique : Vous avez utilisé des horloges atomiques optiques pour vos expériences. Comment fonctionne une telle horloge ?

Christian Lisdat : ​​Les électrons d’un atome ne peuvent se trouver que dans certains états avec différents niveaux d’énergie. Avec les ondes électromagnétiques, nous pouvons les stimuler, c’est-à-dire les faire passer d’un état d’énergie inférieure à un état d’énergie supérieure. Les horloges atomiques utilisent cet effet et mesurent le temps en comptant les oscillations de ces ondes électromagnétiques. Alors que la plupart des horloges atomiques conventionnelles utilisent pour cela des micro-ondes, nous utilisons la lumière visible d’un laser pour les horloges atomiques optiques. Pour ce faire, nous ajustons sa fréquence avec précision pour que l’énergie des photons laser soit aussi élevée que la différence d’énergie entre deux états. L’électron absorbe alors l’énergie et passe dans un état d’énergie supérieur, que nous pouvons observer. Nous pouvons compter les oscillations de la lumière laser : c’est le pendule de notre horloge.

Dans votre institut, vous avez développé une version mobile d’une telle horloge atomique. Qu’est-ce qui la différencie des autres horloges atomiques optiques ?

La plus grande différence est que la plupart des horloges fixes sont placées sur des fondations solides dans des bâtiments de laboratoire bien isolés. De plus, la température y change à peine. Notre horloge transportable, quant à elle, se trouve dans une remorque de voiture qui a à peu près la taille d’un van. Il a aussi la climatisation, mais bien sûr, ce n’est pas aussi bon qu’au laboratoire. De plus, la structure d’une horloge atomique mobile doit être plus compacte et ne doit pas être trop sensible pour le transport. L’adaptation du laser à cela s’est révélée particulièrement difficile. Il était important qu’il n’ait, si possible, qu’une seule fréquence et donc une énergie réglable avec précision. Pour ce faire, nous avons stabilisé la fréquence du laser, ce qui fonctionne mieux pour les appareils plus gros. Cependant, cela les rend également plus sensibles aux moindres déformations, dues par exemple aux vibrations. Mais nous avons résolu le problème en développant des suspensions spéciales.

Cependant, vous ne vouliez pas mesurer le temps avec vos horloges atomiques, mais plutôt déterminer des différences de hauteur. Comment cela marche-t-il?

La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein stipule que le temps passe à des vitesses différentes selon la distance à laquelle vous vous trouvez d’un corps massif, comme la Terre. Cela signifie qu’une horloge sur une montagne tourne légèrement plus vite que dans une vallée inférieure, car elle se trouve sur une montagne plus éloignée du centre de gravité de la Terre. Ce n’est pas un effet particulièrement important, mais les horloges atomiques optiques peuvent le mesurer. Si l’on compare les lasers de deux horloges atomiques à des hauteurs différentes, on constate une petite différence de fréquence entre les deux horloges. Cet effet est également appelé redshift relativiste. Nous pouvons alors calculer la différence de hauteur à partir de la fréquence modifiée. C’est pourquoi, dans ces expériences, nous nous intéressons principalement à la fréquence du laser – et moins au temps qui s’est écoulé.

Avec quelle précision avez-vous mesuré les différences de hauteur avec votre horloge atomique mobile ?

Premièrement, nous avions besoin d’une autre horloge atomique. Celui-ci est situé à l’Institut fédéral physico-technique de Braunschweig. Au début, nous avons comparé sur place les horloges mobiles et fixes à la même hauteur et les avons étalonnées. Nous avons ensuite emmené la montre transportable à environ 450 kilomètres jusqu’à l’Institut Max Planck d’optique quantique à Garching, près de Munich. Nous avons comparé les fréquences des lasers de Garching et de Braunschweig à l’aide d’une connexion par câble à fibre optique. Nous avons découvert que la fréquence de l’horloge atomique mobile s’écarte désormais considérablement de celle de Braunschweig.

Et à partir de là, vous avez pu déterminer la différence de hauteur ?

Tout d’abord, nous voulions être sûrs que l’horloge n’était pas fausse. C’est pourquoi nous l’avons ramené de Garching à Braunschweig et l’avons comparé à nouveau avec l’horloge locale à la même altitude. Il s’est avéré que les horloges fonctionnaient toujours comme avant le transport. Le fait que l’horloge de Garching ait une fréquence différente est en réalité dû au redshift relativiste. De plus, la différence de hauteur calculée d’environ 400 mètres entre les horloges correspondait très bien aux valeurs que nous avons reçues de nos collègues du géomètre. Même si la valeur de notre montre était environ 27 centimètres moins précise, cela montre que nous sommes sur la bonne voie.

Quels sont les avantages de votre méthode par rapport à d’autres types de mesure de hauteur ?

Il existe actuellement deux approches pour mesurer les hauteurs : Premièrement, le nivellement classique. Il s’agit de mesurer à un moment donné l’évolution de la hauteur d’une marche à l’autre à l’aide de bâtons de mesure de la hauteur et d’un appareil de mesure d’angle. Cependant, cela est complexe et sujet à des erreurs sur de longues distances, car les différences de hauteur ne sont mesurées que étape par étape – à des intervalles relativement petits, généralement de 50 à 60 mètres. D’un autre côté, il existe une technologie satellitaire spéciale, mais dont la résolution spatiale est médiocre. Cependant, lors de la mesure d’altitudes avec des horloges atomiques, la résolution spatiale est élevée et, grâce à la connexion par fibre optique, nous pouvons comparer les différentes mesures avec précision sur de longues distances pouvant atteindre plusieurs milliers de kilomètres.

Quelle devrait être la résolution en hauteur dans les expériences futures ?

Bien entendu, nous souhaitons ensuite nous rapprocher de la résolution des meilleures techniques actuelles, c’est-à-dire que les mesures doivent être précises de quelques dizaines de centimètres à quelques centimètres. Une mesure aussi précise serait déjà possible avec les meilleures horloges des laboratoires fixes. Il faut désormais les rendre transportables. Ce n’est pas si simple, mais nous sommes optimistes quant à notre capacité à y parvenir. Afin de devenir encore plus précis et de déterminer les hauteurs au millimètre près, nous devons non seulement améliorer les horloges portables, mais aussi atteindre la précision correspondante dans les laboratoires. Ce sera beaucoup plus compliqué.

Et comment y parviendrez-vous ?

Cela reste à voir. Pour le moment, nous pensons que les horloges atomiques optiques conviennent. Mais il existe différents éléments possibles dont les atomes pourraient être utilisés pour exciter les électrons. Nous travaillons actuellement avec le strontium et voyons jusqu’où nous allons. Peut-être qu’à un moment donné nous atteindrons une limite et que nous devrons travailler avec un atome différent. Ou nous avons besoin d’un type d’horloge atomique complètement différent.