L'horloge atomique à Césium.

L'énergie interne d'un atome (électrons + noyau) prend des valeurs qui correspondent aux divers états quantiques de l'atome.

Ce dernier a la possibilité d'effectuer une transition entre un niveau d'énergie Ea et un autre niveau d'énergie Eb, en émettant ou en absorbant un rayonnement. La fréquence v du rayonnement est déterminée par la relation:

où h désigne la constante de Planck.

La transition adoptée pour définir la seconde a été choisie en raison de ses qualités propres (pureté de la fréquence, faible sensibilité aux perturbations extérieures), mais aussi pour des motifs d'ordre technique (fréquence de transition située dans un domaine de fréquences accessible aux appareillages électroniques existants, commodité d'emploi du césium quant à l'obtention d'un jet atomique et à la détection par ionisation, entre autres).

Le principe de l'horloge à césium consiste à irradier des atomes de césium à l'aide d'un rayonnement micro-onde dont la fréquence est ajustée de façon à provoquer la transition atomique choisie. Lorsque le phénomène atteint son niveau maximum, la fréquence de la radiation incidente se trouve en coïncidence avec celle du césium et peut y être maintenue de façon extrêmement stable. L'oscillateur à quartz, qui pilote le générateur de micro-ondes, stabilisé par rapport à la transition du césium, produit les signaux horaires délivrés par l'horloge.

Dans le jet délivré par le four, les atomes de césium se trouvent tous dans l'un des deux états A ou B correspondant aux niveaux d'énergie les plus bas du césium. Pour disposer d'atomes dans un seul état (l'état A par exemple), il est possible soit de sélectionner par les aimants ceux qui sont appropriés (en présence de champ magnétique, les atomes ont des comportements différents), soit de peupler l'état intéressant par pompage optique en utilisant des diodes laser. Le laboratoire utilise cette deuxième possibilité sur deux réalisations: un étalon à jet de césium et une fontaine atomique.

Dans l'étalon à jet de césium, le principe de fonctionnement est celui indiqué par le schéma suivant.