Des chercheurs de Vienne et de Pékin ont actionné avec succès les tout premiers horloges nucléaires au monde, marquant une transition majeure par rapport aux horloges atomiques traditionnelles qui mesurent le temps à l’aide d’électrons. Cette avancée scientifique s’appuie sur le noyau de l’atome de thorium-229 et a fait l’objet de publications simultanées dans la revue Nature.
Le passage des électrons au noyau d’atome de thorium-229
Pendant plus de soixante-dix ans, la mesure internationale du temps s’est appuyée sur le comportement des électrons. Les horloges atomiques comptent les oscillations d’électrons gravitant autour du noyau, un mécanisme qui soutient la navigation par satellite, les réseaux de télécommunications, les réseaux électriques et le commerce électronique. Deux équipes de recherche internationales ont maintenant franchi une étape décisive en explorant l’intérieur même du noyau atomique. Un groupe basé à Vienne et une équipe à Pékin ont fait fonctionner, de manière indépendante, les premières horloges nucléaires opérationnelles.
L’équipe viennois associe des chercheurs de l’Université technique de Vienne sous la direction du professeur Thorsten Schumm à des spécialistes du Institut national de métrologie d’Allemagne à Braunschweig, menés par le professeur Eckhard Peik. En Chine, des scientifiques de l’Université Tsinghua, dirigés par Shiqiang Ding, ont collaboré avec des instituts de l’Académie des sciences de Chine. Les deux dispositifs reposent sur le même principe fondamental et sur le même matériau, bien que leurs approches techniques diffèrent.
Toute horloge nécessite un oscillateur stable. Les horloges à pendule utilisent une bascule, les montres emploient un quartz, et les horloges atomiques recourent au saut d’un électron entre deux niveaux d’énergie. Les électrons restent toutefois vulnérables aux perturbations extérieures telles que les champs électriques et magnétiques, la chaleur et les vibrations, ce qui impose des conditions d’isolation extrêmes pour les appareils de précision. Le noyau atomique est quant à lui plus de 10 000 fois plus petit que l’atome et bénéficie d’une protection naturelle contre son environnement.
Les transitions nucléaires exigent habituellement une quantité considérable d’énergie, hors de portée d’un faisceau laser classique. Le noyau de thorium-229 constitue une exception rare avec un état excité extrêmement proche de son état fondamental, séparé par un écart d’environ 8,4 électron-volts. Cet intervalle peut être comblé au moyen d’un laser à ultraviolet lointain, calé sur une longueur d’onde avoisinant les 148 nanomètres. L’idée d’utiliser le thorium pour concevoir une horloge a été proposée dès 2003 par Eckhard Peik et son collègue Christian Tamm, mais le parcours expérimental s’est avéré long.
Les performances des prototypes de Vienne et de Pékin
Les chercheurs de Vienne et de Braunschweig étaient parvenus à stimuler le noyau au moyen d’un laser pour la première fois environ deux ans et demi plus tôt. Ils ont désormais franchi l’étape suivante en connectant le système à une boucle de rétroaction. Contrairement aux configurations antérieures où l’horloge dépendait d’un oscillateur atomique externe pour ajuster le laser, le noyau de thorium stabilise lui-même le faisceau.
Dans les deux configurations, les noyaux ne flottent pas dans une chambre à vide. Ils sont intégrés au sein d’un cristal de fluorure de calcium mesurant quelques millimètres, capable de fonctionner à température ambiante. Cette intégration offre un avantage majeur : un tel cristal contient un nombre colossal de noyaux, générant un signal beaucoup plus puissant que celui d’un atome unique piégé.
Pour assurer la stabilité, les équipes ont modifié leur méthode de lecture. Plutôt que de patienter pour capter la lumière émise par les noyaux — un processus prenant une dizaine de minutes dans un cristal —, les scientifiques mesurent la quantité de lumière absorbée. Lorsque le laser s’écarte de la fréquence exacte, l’absorption diminue, ce qui permet au système de corriger instantanément le tir. Cette technique de lecture par absorption génère un flux de photons mille fois supérieur à l’ancienne méthode.
Le prototype viennois a fonctionné en continu pendant plus de 24 heures sans intervention humaine. Les physiciens l’ont comparé à une horloge atomique à ions d’ytterbium installée à l’office national des métrologie autrichien et reliée par fibre optique. La stabilité mesurée après une journée de fonctionnement s’est approchée de l’ordre de dix puissance moins quinze, ce qui équivaudrait à une dérive d’environ une seule seconde sur une période de trente millions d’années.
Ce n’est pas encore au niveau des meilleures horloges atomiques optiques du monde, mais pour un premier prototype, c’est un résultat fantastique.
Professeur Thorsten Schumm, Université technique de Vienne
De son côté, l’équipe de Pékin a développé un laser propre produisant de la lumière ultraviolette continue d’une puissance d’environ dix microwatts, obtenue par un procédé optique dans de la vapeur de cadmium. D’après les données des résumés techniques, la stabilité à court terme du dispositif chinois s’avère environ six fois supérieure à celle de l’appareil viennois. L’analyse de deux cristaux distincts a en outre révélé que la fréquence mesurée concordait à l’échelle de dix puissance moins treize.
Perspectives de recherche et quête de la matière noire
Bien que les horloges atomiques optiques actuelles affichent des précisions supérieures, les physiciens estiment que la prochaine génération d’appareils nucléaires améliorera la stabilité de plusieurs ordres de grandeur. Les chercheurs de Vienne ont exploité vingt-trois heures de données continues pour traquer d’éventuelles micro-fluctuations susceptibles de trahir la présence de matière noire, cette composante invisible qui constituerait la majorité de la masse de l’univers.
Aucun signal direct n’a été détecté, mais l’analyse a permis de resserrer les contraintes sur les propriétés physiques. En examinant l’interaction entre la matière noire et l’interaction forte au cœur du noyau, les limites établies dépassent en rigueur toute mesure antérieure. Cette sensibilité exceptionnelle découle du fait que la transition du thorium repose sur un équilibre délicat entre des forces nucléaires intenses, rendant le système particulièrement réceptif aux variations des constantes fondamentales de la nature.
Les applications envisagées par l’équipe chinoise incluent la navigation par satellite de haute précision, l’exploration de l’espace lointain et des capteurs quantiques novateurs, tandis que les scientifiques autrichiens insistent sur les tests fondamentaux des lois physiques. Le chemin vers une commercialisation ou une utilisation opérationnelle reste toutefois long, rappelant les débuts des horloges au césium dans les années 1950, qui s’apparentaient à des équipements de laboratoire encombrants avant d’équiper les satellites modernes.
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