L'équipe de Sandia Labs cherche à construire la plus petite horloge atomique du monde

Feb 15, 2024

Yuan-Yu Jau, chercheur principal au Sandia National Lab, souhaite construire la plus petite horloge atomique au monde.

S'il réussit, lui et son équipe des laboratoires nationaux Sandia fabriqueront une horloge atomique plus petite qu'un morceau de sucre.

L’année dernière, la Defense Advanced Research Projects Agency a mis les équipes de recherche au défi de construire des horloges plus petites et plus précises.

Jau dirige l'une des deux équipes Sandia qui tentent d'y parvenir.

"Ils veulent un centimètre cube pour tout, et actuellement, il n'existe pas d'horloge atomique de cette taille", a déclaré Jau dans un communiqué de presse de Sandia.

La conception de base de l'horloge que Jau et son équipe sont en train de construire ne mesure que 0,04 centimètre cube, indique le communiqué.

La DARPA souhaite que ces petites horloges soient précises au millionième de seconde après une semaine.

Sandia fabrique des horloges compactes depuis des décennies. Il a contribué au développement d’une horloge de 17 centimètres cubes, connue sous le nom d’horloge atomique à puce, au début des années 2000 – soit à peu près la taille d’une boîte d’allumettes. C’était à l’époque la plus petite horloge atomique au monde et elle reste toujours la plus petite disponible sur le marché de détail.

Le Bureau national des normes des États-Unis, aujourd'hui l'Institut national des normes et de la technologie, a inventé la première horloge atomique en 1948.

Ces horloges mesurent le temps à l’aide de signaux électromagnétiques émis par les électrons autour d’un atome, « ce qui le rend incroyablement précis », selon le communiqué.

Les horloges atomiques ont permis de nouvelles innovations, notamment le GPS.

La DARPA souhaite créer de petites horloges précises pour aider les véhicules lorsque le GPS n'est pas disponible.

"Cela fonctionne de la même manière que vous pourriez calculer la distance parcourue en voiture sur un long tronçon d'autoroute", indique le communiqué. « Si vous conduisez régulièrement à une vitesse de 60 milles à l'heure, vous savez qu'après une heure, vous avez parcouru 60 milles. Une horloge fiable représente la moitié de l’équation.

Sandia et la DARPA souhaitent que leurs horloges soient 30 fois plus précises que les horloges à petite échelle de pointe actuelles.

Ils souhaitent également des améliorations en termes de consommation d’énergie et de sensibilité à la température et aux vibrations.

"C'est bien plus difficile que ce que les gens ont fait jusqu'à présent", a déclaré Jau dans le communiqué.

Sandia a déclaré que la réduction de la taille, du poids et de la puissance des horloges atomiques permet aux systèmes de navigation avancés de bénéficier plus facilement aux navires militaires, aux drones et aux satellites.

Jau est convaincu que lui et son équipe peuvent construire l'horloge puisque le plan a essentiellement 16 ans, selon le communiqué.

En tant qu'instructeur de physique à l'Université de Princeton en 2007, Jau a construit un prototype qu'il a appelé oscillateur atomique laser.

Elle remplissait la même fonction qu’une horloge atomique mais avait la taille d’une boîte à outils. Il avait une impulsion semblable à une horloge provenant de l’envoi d’un laser à travers un nuage d’atomes de potassium.

De plus, il était autonome. L'oscillateur n'avait pas besoin d'équipement électronique extérieur pour contrôler son impulsion périodique.

"Le matériel de support est courant dans de nombreux types d'horloges atomiques, et il occupe généralement la majeure partie de l'espace", indique le communiqué. "Si vous retiriez l'électronique de support d'un CSAC de la taille d'une boîte d'allumettes, vous constateriez que le tic-tac physique a lieu dans un emballage de la taille d'un grain de riz."

Jau a construit un prototype plus grand de l’horloge atomique parce que cela est plus facile.

"Vous savez, avec mes doigts de saucisse", a-t-il déclaré dans le communiqué.

Jau a déclaré qu'il remplacerait le césium par des atomes de potassium et réduirait sa conception en utilisant des machines et des outils du complexe d'ingénierie, de science et d'applications des microsystèmes de Sandia. Il s’agit d’une installation hybride de recherche, de développement et de production pour la microélectronique.

Étant donné que la conception ne nécessite pas de matériel périphérique, Jau pense pouvoir réduire considérablement la taille, le poids et la puissance nécessaire aux horloges atomiques.

"Nous n'utiliserons que le volume du package physique qui existe dans l'horloge CSAC existante, mais nous nous débarrasserons de l'électronique complexe qui l'entoure", a déclaré Jau dans le communiqué.

La DARPA a fourni à Jau et à son équipe un financement de deux ans, et ils pourraient en recevoir davantage s'ils respectent les critères de taille et de performance.