Les progrès de la spectroscopie de haute résolution, microonde et optique, ont été corrélés au cours des cinquante dernières années à ceux de la métrologie du temps. Les horloges ont gagné 9 à 10 ordres de grandeur en précision, en particulier grâce au développement de la mesure directe des fréquences optiques rendue possible par l’invention il y a une quinzaine d’années des peignes de fréquence. Nous analysons dans cette cinquième leçon ces avancées spectaculaires et essayons d’esquisser quelques pistes pour le futur de cette physique de la précision extrême.
La spectroscopie de l’Hydrogène, dont les progrès sont rappelés dans la première partie de la leçon, a servi de banc d’essai aux développements des mesures de fréquences optiques, tout en améliorant continuellement la précision de notre connaissance de la constante de Rydberg et du Lamb shift. La méthode d’absorption saturée, puis celle de la spectroscopie à deux photons qui ont permis de s’affranchir de l’effet Doppler ont été décrites. Dans la deuxième partie, une brève histoire de la mesure du temps a été esquissée pour souligner le fait que les progrès réalisés au cours des six siècles de physique classique ayant précédé l’avènement des quanta – bien qu’ils aient été considérables – ont été largement dépassés par ceux qu’a permis le développement des horloges atomiques depuis les années 1950. Le principe général des horloges est resté le même : elles comptent les périodes d’un oscillateur à l’aide d’un mécanisme d’échappement. Une source d’énergie compense l’amortissement de l’oscillateur en affectant de façon minimale sa fréquence. Dans les horloges classiques, l’oscillateur a été un foliot subissant une oscillation de torsion (horloges des cathédrales), puis un pendule mécanique ou un ressort, et finalement un cristal de quartz vibrant. Dans les horloges quantiques, l’oscillateur a été d’abord un champ microonde verrouillé sur une transition atomique hyperfine (étalon de temps défini par l’horloge à césium depuis les années 1960). Le principe des premières horloges à Césium mesurant la transition atomique grâce à la méthode d’interférométrie de Ramsey a été rappelé. Les améliorations apportées à ces horloges dans les années 1990 par l’utilisation d’atomes refroidis par laser ont été ensuite décrites, ainsi que le projet PHARAO d’horloge à atomes froids qui doit être embarqué en 2016 sur la station spatiale internationale.
