La course pour construire la plus petite horloge atomique du monde, encore une fois

Sep 22, 2023

24 août 2023

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par Troy Rummler, Laboratoires nationaux Sandia

Yuan-Yu Jau cherche à construire la plus petite horloge atomique au monde, un appareil qui mesure le temps avec une extrême précision. En cas de succès, lui et son équipe de Sandia en auront fabriqué un plus petit qu’un morceau de sucre.

Mais il n’est pas le seul à repousser les limites des petites montres.

L’année dernière, la Defense Advanced Research Projects Agency a mis les équipes de recherche au défi de construire des horloges plus petites et plus précises. Yuan-Yu dirige l'équipe Sandia engagée dans cet effort.

"Ils veulent 1 centimètre cube pour tout, et actuellement il n'existe pas d'horloge atomique de cette taille", a déclaré Yuan-Yu, dont la conception centrale est encore plus petite - environ 1 centimètre de long et seulement 2 millimètres de large et de haut, pour un grand prix. total de 0,04 centimètres cubes. La DARPA a demandé que les appareils soient précis au millionième de seconde après une semaine.

Sandia a de l'expérience dans la construction d'horloges compactes. Au début des années 2000, les laboratoires ont contribué au développement de l'horloge atomique à l'échelle d'une puce, qui est à peine plus grande qu'une boîte d'allumettes, soit environ 17 centimètres cubes. À l’époque, la CSAC était la plus petite horloge atomique au monde et reste toujours la plus petite que l’on puisse acheter.

L'horloge atomique a été inventée en 1948 dans ce qui était alors le Bureau national des normes des États-Unis, aujourd'hui l'Institut national des normes et de la technologie. Plutôt que de mesurer le temps par des événements astronomiques comme la rotation de la Terre, ou par des moyens mécaniques comme des engrenages, des ressorts ou des pendules, il mesurait le temps par des signaux électromagnétiques émis par les électrons autour d'un atome, ce qui le rendait incroyablement précis.

Les horloges atomiques ont ouvert la voie au GPS, qui repose sur des horloges synchronisées ultra précises.

Ironiquement, la DARPA étudie actuellement de petites horloges précises pour aider les véhicules à naviguer lorsque le GPS n'est pas disponible. Cela fonctionne de la même manière que vous pourriez calculer la distance parcourue en voiture sur un long tronçon d’autoroute. Si vous conduisez régulièrement à une vitesse de 60 miles par heure, vous savez qu'après une heure, vous avez parcouru 60 miles. Une horloge fiable représente la moitié de l’équation.

Pour les applications de défense, la navigation doit être extrêmement précise. La DARPA recherche des horloges précises au millionième de seconde pendant une semaine maximum. Alors que les meilleures horloges du monde sont de grandes machines capables de maintenir cette précision pendant des dizaines de milliers d’années, les versions de poche sont moins précises. Les objectifs de Sandia et de la DARPA sont d'être 30 fois plus précis que les horloges à petite échelle de pointe actuelles.

L'agence exige également des améliorations en matière de consommation électrique et de sensibilité à la température et aux vibrations.

"C'est bien plus difficile que ce que les gens ont fait jusqu'à présent", a déclaré Yuan-Yu.

La réduction de la taille, du poids et de la puissance facilite la mise en œuvre des systèmes de navigation avancés dans différents types de véhicules, des navires militaires aux drones et satellites.

Yuan-Yu est convaincu que lui et son équipe peuvent construire l'appareil. D’une certaine manière, il l’a déjà fait.

Il y a seize ans, alors professeur de physique à l'Université de Princeton, il a construit son premier prototype de ce qu'il a appelé un oscillateur atomique laser. Elle avait à peu près la taille d’une boîte à outils, mais elle effectuait la même action de base qu’une horloge atomique. Il produisait une impulsion régulière, semblable à une horloge, dérivée de l’envoi d’un laser à travers un nuage d’atomes de potassium.

Surtout, il était autonome. L'oscillateur ne nécessitait pas d'équipement électronique extérieur pour contrôler l'impulsion périodique de la machine.

Le matériel de support est courant dans de nombreux types d’horloges atomiques et occupe généralement la majeure partie de l’espace. Si vous retiriez l'électronique de support d'un CSAC de la taille d'une boîte d'allumettes, vous constateriez que le tic-tac physique a lieu dans un emballage de la taille d'un grain de riz.