Les horloges optiques, dont les horloges à réseau optique développées au SYRTE, ont maintenant démontré des exactitudes surpassant celles des meilleures horloges micro-onde au césium 133 utilisées pour réaliser la seconde, l’unité de temps du Système International d’unités. Pour cette raison, la communauté scientifique se prépare à une redéfinition de la seconde fondée sur les transitions d’horloges optiques, qui aurait lieu dans la décennie à venir. Toutefois, des horloges optiques utilisant divers atomes et technologies de piégeage sont actuellement à l’étude, et aucun candidat ne se détache des autres pour remplacer le césium. Face à cette situation, on peut s’attendre à ce que la seconde ne soit plus définie à partir d’une seule espèce atomique, mais à partir d’un ensemble de transitions optiques de plusieurs espèces atomiques.

À première vue, on peut se dire qu’utiliser plusieurs transitions de référence à la fois aboutit nécessairement à une contradiction. Pourtant, ce n’est pas le cas : dans un artice publié dans la revue Metrologia, Jérôme Lodewyck, chercheur CNRS au LNE-SYRTE (CNRS, Observatoire de Paris, PSL Université Paris, Sorbonne Université), propose une définition de la seconde fondée sur plusieurs transitions. Il montre qu’elle est exempte de contradiction et réalisable selon tous les critères en vigueur au Comité International des Poids et Mesures (CIPM).

La seconde serait définie par la moyenne géométrique pondérée de la fréquence de plusieurs transitions optiques. Grâce à un ensemble de mesures de rapports de fréquences de grande précision, au niveau mondial, il sera possible de la réaliser avec toute horloge fondée sur une transition quelconque de l’ensemble, sans significativement dégrader l’incertitude de la réalisation. Enfin, il sera possible de régulièrement mettre à jour les poids de chaque transition en fonction des évolutions futures des horloges, sans compromettre la continuité de l’unité.

Bien qu’elle soit conceptuellement très différente de la définition actuelle, l’unité proposée ici s’inscrit dans la continuité des travaux menés par le Comité Consultatif Temps Fréquences (CCTF) du CIPM sur l’établissement d’une liste de représentations secondaires de la seconde, puisqu’elle est une généralisation de ce concept. Par ce biais, elle est compatible avec les méthodes actuellement utilisées par la communauté, en particulier pour le pilotage du Temps Atomique International avec des horloges micro-onde et optiques.

L’adoption de cette unité permettrait de redéfinir la seconde sans attendre qu’une transition donnée surpasse les autres, et sera robuste face à des technologies émergentes. Enfin, elle favorise la diversité des espèces atomiques étudiées dans les laboratoires de métrologie, à l’origine de nombreux tests de physique fondamentale.

Référence

On a definition of the SI second with a set of optical clock transitions, Jérôme Lodewyck, Metrologia (2019)