La course à la miniaturisation des horloges atomiques bat son plein. Des chercheurs des laboratoires Sandia National sont sur le point de réaliser une percée technologique en construisant une horloge atomique plus petite qu’un dé à coudre. Mais ils ne sont pas les seuls à repousser les limites des minuscules horloges.
L’an dernier, la Defense Advanced Research Projects Agency a lancé un défi à des équipes de recherche pour construire des horloges encore plus petites et précises. Le professeur Jau dirige l’une des deux équipes Sandia engagées dans cet effort.
Des horloges miniatures pour permettre une navigation de pointe
L’horloge atomique a été inventée en 1948 à ce qui était alors le National Bureau of Standards américain, aujourd’hui National Institute of Standards and Technology.
Plutôt que de mesurer le temps par des événements astronomiques comme la rotation de la Terre, ou par des moyens mécaniques comme des roues dentées, des ressorts ou des pendules, elle mesurait le temps par des signaux électromagnétiques émis par des électrons autour d’un atome, ce qui la rendait incroyablement précise.
Les horloges atomiques ont ouvert la voie au GPS, qui repose sur des horloges super précises et synchronisées. Ironiquement, la DARPA étudie maintenant de petites horloges précises pour aider les véhicules à naviguer lorsque le GPS n’est pas disponible. Cela fonctionne comme calculer la distance parcourue en voiture sur une longue autoroute. Si vous roulez à une vitesse constante de 95 km à l’heure, vous savez qu’après une heure vous avez parcouru 95 km. Une horloge fiable est 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. 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 miniatures actuelles.
L’agence exige également des améliorations de la consommation d’énergie et de la sensibilité à la température et aux vibrations.
« C’est beaucoup plus difficile que ce que les gens ont fait jusqu’à présent, » déclare Yuan-Yu Jau.
Réduire la taille, le poids et la puissance facilite le déploiement de systèmes de navigation avancés dans différents types de véhicules – des navires aux drones et aux satellites.
Conception d’horloge basée sur un prototype de 16 ans
Yuan-Yu Jau est confiant que lui et son équipe peuvent construire le dispositif. D’une certaine manière, il l’a déjà fait. Il y a seize ans, alors qu’il était professeur de physique à l’Université de Princeton, il a construit son premier prototype de ce qu’il a appelé un oscillateur atomique laser. Il faisait environ la taille d’une boîte à outils, mais effectuait la même action de base qu’une horloge atomique. Il produisait une impulsion régulière et stable dérivée en faisant passer un laser à travers un nuage d’atomes de potassium.
Fait important, il était autonome. L’oscillateur ne nécessitait pas d’équipement électronique externe pour contrôler l’impulsion périodique de la machine. Les matériels de support sont courants dans de nombreux types d’horloges atomiques, et occupent généralement la majeure partie de l’espace. Si vous retiriez l’électronique de support d’une CSAC de la taille d’un livre de matches, vous trouveriez que le tic physique a lieu dans un package de seulement la taille d’un grain de riz.
Yuan-Yu Jau a enfin indiqué que son prototype était seulement aussi grand parce qu’une grosse machine était plus facile à construire qu’une petite, « Vous savez, avec mes gros doigts. » Maintenant, il a les outils pour le réduire.
Construction du dispositif dans une installation du Sandia
Jau prévoit de remplacer les atomes de potassium par du césium et de réduire la taille de sa conception d’origine à l’aide de machines et d’outils au complexe Microsystems Engineering, Science and Applications de Sandia, une installation hybride de recherche, développement et production pour la microélectronique.
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Parce que sa conception ne nécessite pas de matériel périphérique, il pense pouvoir réduire considérablement la taille, le poids et les besoins en énergie des horloges atomiques.
« Nous n’utiliserons que le volume du boîtier physique qui existe dans la CSAC existante, mais nous nous débarrasserons de cette électronique compliquée autour, » explique à nouveau le chercheur.
En synthèse
La course à la miniaturisation des horloges atomiques est lancée. Des équipes comme celle de Yuan-Yu Jau chez Sandia repoussent les limites en visant une taille inférieure à 1cm3. Ces horloges de haute précision sont cruciales pour permettre une navigation autonome des véhicules en l’absence de GPS.
Le chercheur s’appuie sur un prototype développé il y a 16 ans et compte utiliser les outils de microélectronique de Sandia pour réduire drastiquement la taille. Le défi est de taille mais la récompense à la clé est une technologie révolutionnaire.
Pour une meilleure compréhension
Quel est l’objectif de miniaturisation des horloges atomiques ?
L’objectif est de réaliser une horloge atomique de moins de 1 cm3, soit plus petite qu’un dé à coudre.
Qui finance ces recherches ?
L’Agence des projets de recherche avancée de défense (DARPA) finance des équipes de recherche comme celle de Sandia pour développer des horloges atomiques miniatures.
En quoi consistent les horloges atomiques ?
Les horloges atomiques mesurent le temps grâce aux signaux électromagnétiques émis par des atomes, ce qui les rend extrêmement précises.
Pourquoi miniaturiser les horloges atomiques ?
Des horloges plus petites permettent d’équiper facilement des véhicules en systèmes de navigation autonome lorsque le GPS n’est pas disponible.
Comment Jau compte-t-il miniaturiser son horloge ?
Il s’appuie sur un prototype développé il y a 16 ans et utilisera les outils de microélectronique de Sandia pour réduire la taille.
Quels sont les défis à relever ?
Les défis sont d’améliorer la précision, la consommation d’énergie et la robustesse aux vibrations et températures, le tout dans un volume réduit.
Quels sont les enjeux ?
La réussite permettrait une avancée technologique majeure pour la navigation autonome des véhicules.
Légende illustration principale : Dans le cadre d’un projet de la Defense Advanced Research Projects Agency, Yuan-Yu Jau travaille aux Sandia National Laboratories sur une horloge atomique qui utilisera l’élément césium, dont la fréquence de résonance naturelle est de 9 192 631 770 hertz. – Credit: Craig Fritz, Sandia National Laboratories
