Une horloge atomique est le type de garde-temps le plus précis au monde, conçu pour mesurer le temps en fonction des vibrations au sein des atomes. NIST-F1, l’horloge atomique standard des États-Unis, serait si précise qu’elle ne gagnerait ni ne perdrait une seconde en plus de 30 millions d’années. Les horloges atomiques sont utilisées pour coordonner des systèmes qui requièrent une extrême précision, comme la navigation par système de positionnement global (GPS) et l’internet. Un groupe d’horloges atomiques situées dans un certain nombre d’endroits dans le monde est utilisé conjointement pour établir le temps universel coordonné ( UTC ).
Comme une horloge ordinaire, une horloge atomique garde le temps selon l’oscillation, qui est une variation ou un mouvement périodique entre deux entités ou entre deux états d’une seule entité, créée par des changements d’énergie. Dans une horloge à pendule, par exemple, l’oscillation est le mouvement de va-et-vient du pendule (l’oscillateur). Une telle horloge garde le temps en fonction de la fréquence de l’oscillation du pendule, qui sera plus ou moins précise, selon un certain nombre de variables. La précision d’une horloge atomique, en revanche, dépend du fait qu’un atome, amené à osciller, vibrera toujours à la même fréquence.
En 1945, Isidor Rabi, professeur de physique à l’université de Columbia, a proposé que les vibrations atomiques puissent être utilisées pour garder le temps, en se basant sur quelque chose qu’il avait développé et qui s’appelait la résonance magnétique à faisceau atomique. Quatre ans plus tard, le National Bureau of Standards (aujourd’hui le National Institute of Standards and Technology) avait mis au point une horloge atomique utilisant les vibrations des molécules d’ammoniac. NIST-F1, l’étalon actuel des États-Unis, utilise des atomes de césium ; elle et un étalon d’horloge atomique similaire à Paris sont les garde-temps les plus précis jamais fabriqués.
Les premières horloges atomiques commerciales à base de césium ont été fabriquées par la National Company, une entreprise du Massachusetts ; Frequency Electronics, FTS et Hewlett-Packard ( HP ) sont parmi les entreprises qui en produisent aujourd’hui. Les horloges atomiques n’ont jamais été largement utilisées dans les produits de consommation car elles sont généralement volumineuses et consomment trop d’énergie. Récemment, cependant, le NIST a mis au point une horloge atomique qui surmonte ces problèmes. De la taille d’un grain de riz et d’une précision d’une seconde en 126 ans, le nouveau mécanisme pourrait bientôt être fabriqué sur des puces d’ordinateur et utilisé dans des appareils de poche du marché grand public, comme les radios, les systèmes GPS et les téléphones cellulaires.