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Texte : Jacques A.LombardPhotos : TLN

Ah, ces tours, combien elles auront marqué notre histoire! Pas celles du World TradeCenter de New York, mais nos modestes constructions métalliques helvétiques deSottens et Prangins. Des Tours Eiffel à leur manière. En Pays de Vaud, au siècle der-nier, les pylônes de Sottens ont longtemps permis de capter la radio romande qui«donnait» l’heure jusqu’en France voisine. Sur la Côte, l’émetteur de Prangins, uneantenne de 125 mètres entre deux tours en treillis d’acier construites au début desannées 30, était, lui, la source de cette heure officielle. Sottens est maintenantdésaffecté et Prangins sera définitivement mis au rencart cette année. Seulesquelques dizaines d’horloges publiques et de clochers reçoivent encore son signal.Les ferrailleurs guettent sur ce passé.

Grâce au Laboratoire Temps-Fréquencede l’Institut de physique de l’Université

Neuchâtel met l’heureatomique sur orbite

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En fait, elle était neuchâteloisecette fameuse heure officiellelorsque la radio annonçait

«au troisième top, il sera exactement...».Elle était établie par «L’Observatoirechronométrique de Neuchâtel » quipilotait Prangins à la fin de sa carrière,depuis qu’on était passé de l’heureastronomique à l’heure atomique en1967. Evolution technologique coûteuseet nécessaire concentration des moyensobligent, cette heure de chacun, quiavait même été celle de l’ONU à Genève,n’est plus la nôtre. De la montre au clocher, du réveil au magnétoscope, lesignal horaire que les appareils reçoi-vent vient maintenant d’un émetteursitué près de Francfort, en Allemagne.Alors, perdante la Suisse? Pas forcément.Si Neuchâtel n’offre plus l’heure banale,le canton donne déjà l’heure – et lepositionnement géographique – aumonde sur orbite. Grâce à des horlogesatomiques embarquées sur satellitesqui permettent une incroyable mesuredu temps et, par là, de l’espace. Elleséquiperont notamment le futur sys-tème européen de navigation Galileo – un réseau de 30 satellites – et ontdéjà décollé à bord de deux satellitesprototypes. Allons donc faire le pointsur cette formidable évolution avec leprofesseur Pierre Thomann, directeurdu LTF, le Laboratoire Temps-Fréquencede l’Institut de physique de l’Univer-sité de Neuchâtel, l’un des héritiers dufameux Observatoire cantonal.

L’heure, c’est aussi vivre avec un tempsd’avance. Les horlogers de l’Arc juras-sien l’ont toujours compris. En 1858,ils créaient l’Observatoire cantonal deNeuchâtel, qui devait s’attacher à éta-blir une référence de temps stable poureffectuer le contrôle des montres, encommençant par l’observation astro-nomique. Pendant soixante ans, de 1934au milieu des années 90, cette institu-tion rythmera la vie des Suisses. En 1967, c’était la naissance du tempsatomique international. Une révolutiongrâce à des instruments nés encore àNeuchâtel. L’heure est alors émise

depuis Prangins qui diffuse, sur unefréquence de 75 kHz, des signauxhoraires raccordés au temps univer-sel coordonné, un service public gra-tuit. Cette gratuité allait le condamner.Jusqu’en 1977, l’émetteur était sous la responsabilité des PTT, puis pas -sait sous celle de Swisscom jusqu’en mai 2000. Depuis le 1er juin 2000, l’émetteur relèvede l’Office fédéral de métrologie, METAS,responsable fédéral de toutes lesmesures. Pas plus que les sociétés

Le professeur Pierre Thomann,directeur du Laboratoire Temps-Fréquencede l’Université de Neuchâtel.

Légende de la page précèdente,l’horloge primaire développéepour et avec l’Office fédéralde métrologie METAS. Il s’agit làde l’ensemble de l’horloge,avec la fontaine atomique de césiumrefroidi par laser (à gauche)et la table optique portant tous les lasersnécessaires à la manipulationet à la détection des atomes.(Photo LTF)

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privées, il n’a l’intention de poursuivreune activité financièrement stérile etdemandant de sérieux investisse-ments pour pallier la vétusté des ins-tallations.

Expertises à l’appui, le Conseil fédéraldécide donc de fermer l’émetteur dePrangins à la fin de 2011, le tempspour les utilisateurs de se convertir à

liser les signaux de radio-synchronisa-tion qui étaient disponibles, qu’il s’agissede l’émetteur de Prangins ou de celuide Francfort».«Le signal horaire a été longtempsl’affaire de l’observatoire chronomé-trique de Neuchâtel, une vénérableinstitution cantonale. Il est passé souscontrôle légal de la Confédération C’étaitparfaitement logique. Si Neuchâtel s’enétait occupé auparavant, c’était avanttout pour satisfaire les besoins de l’in-dustrie horlogère neuchateloise. La créa-tion de l’observatoire en 1858 était laconséquence de cette demande deshorlogers qui avaient besoin de cetteréférence pour régler leur production.C’est pourquoi l’observatoire émar-geait au budget du département del’économie et non pas à celui de l’ins-truction publique, comme c’est le casde l’université. La fonction initiale del’observatoire était donc de donnerl’heure aux industriels de l’arc juras-sien. Cette structure étant là, fiable etefficace, elle a progressivement offertses services à un champ toujours pluslarge d’utilisateurs du pays. Mais celane reposait sur aucune base légaleétablie. La loi sur la métrologie veut eneffet que les unités fondamentales,les grandeurs physiques et leursétalons, soient normalement sous lecontrôle de la Confédération. L’officefédéral de métrologie se baptise main-tenant METAS et a notamment la res-ponsabilité du maintien et de la diffu-sion de l’heure exacte. C’est lui quicontrôle tous les instruments demesure, y compris les colonnes àessence ou les balances, pour êtresûr que l’affichage corresponde bien àla quantité délivrée».

«Dans les années 90, l’émetteur dePrangins était donc géré par les PTTpuis par Swisscom. Dès sa création,Swisscom a voulu se désengager dece service qui était coûteux et ne luirapportait rien. Il n’y a en effet pasmoyen de faire de l’argent avec la dif-fusion de l’heure. Ce sont des signauxque tout le monde peut capter et il est

«L’heure,c’est aussi vivreavec un tempsd’avance»

la réception du signal DCF77 de l’émet-teur allemand de Francfort. C’est celui-ci qu’utilisent dorénavant les horlogesdes CFF tandis que la Radio romande,elle, a passé le cap suivant et disposemaintenant de son propre système,grâce à une centrale horaire synchro-nisée traitant les signaux reçus dessatellites GPS américains.Evidemment, cette révolution ne s’estpas passée sans douleur. En 2007, leGrand Conseil s’enflammait pour fina-lement enterrer l’Observatoire canto-nal qui avait déjà perdu son adjectif«chronométrique». Le CSEM (Centresuisse d’électronique et de microtech-nique) reprenait les activités de trans-fert industriel, la faculté des sciencesde l’Uni héritait des activités de re -cherche et développement à travers lenouveau Laboratoire Temps-Fréquence(LTF) et une société privée de produc-tion était créée, une spin-off baptiséeSpectratime, pour commercialiser cegénie neuchâtelois.

L’Observatoire, pionnier de l’heure«Cela s’est terminé en plusieurs étapes»explique le professeur Thomann. «Dansle grand public, cette notion que l’heureétait donnée par Neuchâtel a duréplus longtemps que la réalité. On avaitdéjà trouvé beaucoup plus simple d’uti-

donc difficile de les facturer. A ce momentlà, comme le canton de Neuchâtel n’avaitni les compétences ni les moyens d’as -surer seul le fonctionnement de cetémetteur de Prangins, c’est l’office fé dé -ral de métrologie qui est entré en jeu».

«L’observatoire avait déjà vu depuisles années 80 son activité pratique-ment dégagée de la diffusion de l’heure.Il n’assurait plus en fait que la respon-sabilité technique de l’horloge atomiquede Prangins. Il y a quelques années,une expertise des pylônes de la sta-tion a montré qu’ils avaient pris de l’âgeet que pour des raisons pratiques etde sécurité, il était nécessaire de pro-céder à une lourde rénovation. Destravaux que personne n’avait les

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moyens d’effectuer. Actuellement, lesrécepteurs que l’on achète dans lecommerce, montres, horloges, radiosetc., sont préprogrammés pour rece-voir le signal de Francfort. On peut lesbricoler pour recevoir encore celui dePrangins. Mais tout a changé avec leGPS. Les horloges atomiques sont eneffet un élément fondamental dessystèmes de navigation. Quant à l’ob-servatoire cantonal, il n’existe plusdepuis juin 2007. Du point de vue institutionnel, il a simplement fermé ses portes».

Une précision inimaginable«Je suis arrivé à l’observatoire en 1991»,se rappelle Pierre Thomann. « il y avaitencore un petit service de l’heure,

en l’occurrence une personne pours’occuper de Prangins et gérerquelques horloges intégrées dans le réseau mondial des 250 horlogescontribuant à fabriquer l’heure inter-nationale. Au moment où l’observa-toire a fermé, cette activité étaittombée à zéro. Cela n’a donc euaucune incidence sur l’établissementde l’heure, mesure déjà passée dansles mains de l’office fédéral METAS etcomplètement internationalisée. Celane veut pas dire que Neuchâtel ne

A gauche, Christophe Affolderbach,collaborateur scientifique et chef de projet.A droite, Gaetano Mileti, directeur adjoint du LTFet directeur de recherche,devant des tests d’horloges spatialesde deuxième générationdestinées aux futurs satellites Galileo.

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contribue pas à créer une heureinternationale fiable. Ici, on travaillesur des horloges atomiques que l’oninvente et perfectionne pour desbesoins bien spécifiques. C’est lamission du laboratoire Temps-Fré-quence (LTF) de la Faculté des scien -ces que de faire des recherches debase et des développements appli-qués dans la mesure du temps, spécialement par des horloges ato-miques».

« A la Faculté des sciences, je n’aiplus d’élèves proprement dit carl’institut de physique a fondu. Nousavons ici des post-gradués qui vien-nent poursuivre des études pourleur doctorat. Il y a maintenant unevingtaine de personnes au labora-toire Temps-Fréquence, donc septdoctorants. Quand j’ai été nommé en2007, il y avait encore six profes-

Elles sont maintenant fournies defaçon remarquable par les écolespolytechniques.Cette évolution n’est pas seulementle cas de Neuchâtel mais de toutesles universités cantonales. Un jeunequi veut étudier spécifiquement laphysique choisit maintenant entreEPFL et EPFZ».

La recherchedes performances ultimesS’ils placent leurs créations sur orbite,les chercheurs neuchâtelois ont néan-moins bien les pieds sur terre :«Au LTF, nous avons un premier axe de recherche pour des performancesultimes, la mesure du temps la plusprécise possible sans tenir compte del’encombrement des horloges. L’autreaxe est la miniaturisation, pour réali-ser des horloges compactes où la performance est importante, mais lamasse et la consommation aussi. Cecipour des applications mobiles, notam-ment pour être embarquées à borddes satellites.Nous avons des contrats importantsavec l’ESA, l’Agence spatiale euro-péenne. Un de ces contrats vient d’ar-river à terme. Il portait sur le dévelop-pement de technologies destinéesaux horloges des satellites de naviga-tion Galileo de deuxième génération.Entre 1991 et 1995, nous avons déjàtravaillé sur les horloges des satellitesGalileo de première génération qui vontcommencer à voler. Nous avons d’abordfait un prototype, puis nous avonscréé un spin-off, spectratime, qui com-mercialise maintenant ces horlogespour des applications terrestres etorbitales. Deux satellites pilotes volentdéjà avec nos horloges, lancés dansl’urgence par l’ESA pour tester certainsaspects de la technologie Galileo. Notre cible est d’équiper les 30 satel-lites du réseau Galileo, qui auront cha-cun à bord quatre de ces horloges. Leshorloges lancées en 2005-2007 ontété développées depuis plus de 10 ansauparavant. C’est dire qu’on travailleavec une véritable vision d’avenir. Nous

«La fonction initiale

de l’Observatoire

était

de donner l’heure

aux industriels

de l’arc jurassien»

seurs de physique. Je suis mainte-nant le seul. C’est lié au fait que l’onn’enseigne plus la physique à desphysiciens.Maintenant, la physique que l’onenseigne à l’université l’est à desnon-physiciens, c’est-à-dire à desfuturs médecins, des futurs biolo-gistes etc. Ceci parce que l’enseigne-ment des sciences de base, commela physique, nécessite des infra-structures telles qu’elles ne sontplus à la portée d’un seul canton.

vraiment une success-story» recon-naît le professeur Thomann qui sou-ligne la diversité des recherches duLTF : «Nous avons aussi des dévelop-pements en cours pour des horlogesultra-miniaturisées dans le cadre d’unprojet européen. Il s’agit de réaliser deshorloges atomiques de l’ordre du cen-timètre cube, c’est-à-dire de la taille d’undé à coudre. Nous n’y sommes pasencore. Actuellement, les plus petiteshorloges atomiques sont au moinscent fois plus grosses. Il s’agit de fairedes horloges aussi petites qu’un oscil-lateur à quartz, mais aux performancesconsidérablement plus précises».Performances aussi avec la réalisa-tion d’une horloge atomique primairequi participera à l’heure internationale.Cette heure est établie d’abord avecles horloges de référence, des instal-lations de grande taille, extrêmementcomplexes, qui doivent être souventinterrompues, mais fournissent laseconde conforme à la définition inter-nationale. La seconde officielle, c’estun certain nombre d’oscillations del’atome de césium, qu’il s’agit de comp-ter. Le problème, c’est de fabriquer deshorloges qui produisent des « tics»

de seconde conformes à cette défini-tion. Et il faut que deux horloges fabri-quées dans des endroits différentsdonnent une seconde identique qui nedevrait pas varier en 30 millions d’an-nées!«Dans le monde, il n’y a que six ou septhorloges de ce type ayant les perfor-mances requises. Ici, à l’Université deNeuchâtel, on développe une horlogequi devra remplir ce mandat, mais enreposant sur un principe un peu diffé-rent de ce qui se fait ailleurs. On toucheau but. Nous sommes en train de l’éva-luer. Les premières mesures devraientse terminer. Nous devrions être prêtscet été. L’horloge sera transférée àMETAS dans le courant de l’année»,annonce Pierre Thomann.

Créé par les horlogers de l’Arc jurassien en 1858,l’Observatoire de Neuchâtel n’a pas survécuà sa cantonalisation. Il n’existe plus en tant que teldepuis quatre ans. Ses activités de rechercheont été confiées au Laboratoire Temps-Fréquence (LTF)de l’Université, fondé le 1er février 2007.Les activités de transfert industrielont été intégrées par le Centre suisse d’électroniqueet de microtechnique (CSEM) tandisque la production d’horloges atomiquesde tous calibres est assurée par une spin-off,Spectratime, créée par les partenaires.

en sommes à mettre au point la géné-ration d’après. Et comme la duréede viede ces satellites est de 10 ou 15 ans,il faut donc déjà prévoir la suite.

Une véritable success-story«Pour la première génération, l’obser-vatoire de Neuchâtel était pratiquementseul sur l’affaire. Il n’y avait pour ainsidire pas de concurrence. Maintenant,

«Les horlogesatomiques

sont un élémentfondamentaldes systèmesde navigation»

la concurrence internationale s’annoncede plus en plus forte, européenne,occidentale, mais aussi chinoise etindienne. Cela nécessite un dynamismesans cesse renouvelé. Quoiqu’il en soit,ce que nous avons fait représente

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«Enfin», précise-t-il encore, «dans ledomaine des horloges de haute per-formance, nous cherchons à utiliserd’autres atomes que le césium, de façona augmenter encore la précision.Une nouvelle génération d’horloges esten train de se mettre en place et il y adéjà eu des succès spectaculaires auxEtats-Unis, avec ce que l’on appelledes horloges «optiques», qui seront au moins cent fois meilleures que cequi existe.

«Avec le césium on en est à quelquesmilliards d’oscillations par seconde.On avait choisi le césium avec ses9192 631770 périodes de radiationpar seconde parce qu’il fallait êtrecapable de les compter. Depuis ledébut de ce siècle, quelques labora-toires ont démontré qu’il était possiblede compter des oscillations un millionde fois plus rapides! Ces oscillationscorrespondent en fait à la fréquencedes ondes lumineuses, alors qu’avecleurs milliards d’oscillations, les hor-loges actuelles correspondent auxmicro-ondes électromagnétiques, ceque l’on utilise notamment dans lessystèmes GPS».

La station de Prangins (VD) émettaitjusqu’à présent un signal pouvant être captéjusqu’à une distance de 1500 km. L’émetteurdiffusait des signaux horaires officiels raccordésau temps universel coordonné. Les informationshoraires, parfaitement synchroniséesavec une horloge atomique, sont utiliséespour des horloges radiocommandées introduitesdans toutes sortes d’appareils. Le signal transmetaussi la date, ce qui permet le réglage automatiquedes calendriers électroniques liés à l’heureradio-pilotée. Quelques horloges publiques,dont celles de certains clochers continuentà capter ce signal horaire helvétique qui cesseraà la fin de l’année, confirme Rudolf Thalmann,chef de section longueur, optique et tempsà l’office fédéral METAS. La totalité des usagersrecevront alors l’heure d’Allemagne.C’est maintenant l’émetteur de Mainflingenprès de Francfort, qui nous transmet l’heurede l’horloge atomique au césium du PhysikalischTechnische Bundesanstalt, de Braunschweig.(Photo METAS)

D’autres programmes existent au LTFet chez ses partenaires.Il s’agira notammentd’envoyer des hor-loges à très hautes performancesdans l’espace pour mesurer l’écoule-ment du temps. Mais nous sommes làdans la physique fondamentale, loindes fours à micro-ondes et de la radio-navigation.C’est le charme de l’horloge atomique :elle ne fait pas que mesurer le temps,elle fait rêver qu’on puisse un jour le manipuler. (JAL)