« Une étape importante vers une horloge de base »

Les horloges atomiques sont actuellement considérées comme les instruments les plus précis pouvant être utilisés pour mesurer le temps. À l’avenir, cependant, les horloges dites nucléaires – qui utilisent les excitations du noyau atomique au lieu de la coquille atomique – pourraient atteindre des niveaux de précision nettement plus élevés. Une étape importante dans le développement d’une telle horloge nucléaire a maintenant été franchie : grâce au laser à rayons X européen XFEL, les physiciens ont mesuré avec une précision sans précédent une transition particulière dans le noyau atomique de l’élément scandium. Dans une interview avec World of Physics, Ralf Röhlsberger du centre de recherche DESY de Hambourg et de l’Institut Helmholtz de Jena parle des expériences et de ce qu’elles signifient pour le développement d’horloges centrales.

Monde de la physique : Quelle est la différence entre une horloge atomique et une horloge nucléaire ?

Ralf Röhlsberger : Aujourd’hui, la référence en matière de mesure du temps est ce qu’on appelle les horloges atomiques. Ici, une transition dans la couche électronique d’un élément spécifique est stimulée. Cela se produit généralement avec les micro-ondes. Il existe désormais également des horloges atomiques qui fonctionnent avec la lumière visible et sont encore plus précises que les horloges atomiques basées sur les micro-ondes. Ces instruments offrent déjà une précision exceptionnellement élevée. Les horloges atomiques au césium ne se trompent que d’une seconde en 300 millions d’années. Avec une horloge nucléaire, en revanche, ce ne sont pas les électrons de la coquille qui sont excités, mais plutôt le noyau atomique lui-même. Ces stimuli nécessitent souvent un rayonnement énergétique nettement plus élevé dans la gamme de longueurs d’onde des rayons X et ne fonctionnent que si la bonne fréquence est ciblée très précisément. C’est pourquoi elles offrent une précision nettement supérieure à celle des horloges atomiques.

Alors, sur quoi avez-vous enquêté ?

Les noyaux atomiques – tout comme la couche électronique – ont diverses excitations possibles. La plupart des excitations nucléaires sont de très haute énergie et se situent dans la gamme des rayonnements gamma. Vous ne pouvez pas construire une horloge avec ça. Nous avons maintenant examiné une transition nucléaire particulière de l’élément scandium. Cette transition est considérée comme particulièrement adaptée à une horloge centrale car elle peut être excitée avec un laser à rayons X – dans notre cas avec le laser européen à électrons libres XFEL. Pour notre expérience, nous avons dirigé le faisceau XFEL sur une feuille métallique en scandium d’environ 25 micromètres d’épaisseur. La transition nucléaire qui nous intéresse s’est produite à une énergie d’un peu moins de 12,4 kiloélectronvolts, soit à une énergie 10 000 fois supérieure à celle de la lumière visible. Nous avons mesuré l’énergie de transition très précisément, à cinq décimales près. C’est environ 250 fois plus précis que les réglementations précédentes. Cela signifie qu’il sera désormais théoriquement possible de réaliser une spectroscopie de précision à cette transition. Toutefois, les instruments appropriés doivent encore être développés.

Dans quelle mesure avez-vous étudié la transition nucléaire ?

La plupart des jonctions nucléaires rayonnent l’énergie absorbée très rapidement, en fractions de seconde. En revanche, la transition scandium que nous avons examinée a une durée de vie exceptionnellement longue, de près d’une demi-seconde. Grâce à cette longue durée de vie, nous avons pu déplacer l’échantillon d’environ un centimètre hors du faisceau laser après avoir stimulé la transition nucléaire avec le laser à rayons X. Cela réduit considérablement les signaux parasites pendant les mesures. Nous avons ensuite mesuré la faible rémanence caractéristique émise par le noyau atomique excité dans la gamme des rayons X. Tout cela n’a été possible que grâce à l’énorme puissance du laser à rayons X de Hambourg, sinon la rémanence aurait été beaucoup trop faible.

Station d’expérimentation au XFEL européen

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Quelle précision les horloges centrales devraient-elles atteindre un jour ?

En principe, une horloge centrale basée sur le scandium devrait pouvoir fonctionner mille fois plus précisément que les horloges atomiques au césium utilisées aujourd’hui, entre autres, pour la navigation par satellite. La précision dépend directement de la largeur énergétique des niveaux d’excitation – c’est-à-dire de la précision avec laquelle vous devez atteindre la fréquence d’excitation pour que l’état soit excité. Dans le scandium, la transition intéressante pour une horloge centrale est extrêmement nette. Sa largeur ne correspond qu’à un dixième de billionième de l’énergie d’excitation. Ainsi, une horloge à noyau de scandium ne se tromperait que d’une seconde toutes les 300 milliards d’années.

Existe-t-il d’autres candidats pour une horloge centrale ?

Deux éléments en particulier présentent des transitions de base intéressantes pour construire une horloge. Outre le scandium, le thorium est considéré comme un élément possible car il présente une transition nucléaire particulièrement faible en énergie. Ceci fait également l’objet de recherches à l’échelle internationale. Cependant, ce qui suit s’applique aussi bien au scandium qu’au thorium : il nous faudra encore quelques années de travail de développement avant de pouvoir penser à une horloge centrale. Pour le moment, l’objectif est de mieux comprendre les suggestions. Ensuite, vous devez trouver la manière la plus habile de concevoir une horloge centrale. Nous ne faisons que faire les premiers pas, et il y en a encore beaucoup d’autres à venir.

Quelles applications sont possibles pour les horloges de base ?

Ils ne seront pas visibles sur les satellites de sitôt. L’équipement nécessaire est bien trop important pour cela. Mais pour les questions fondamentales de physique, les horloges de haute précision sont toujours un atout. On espère que les horloges centrales ouvriront des domaines complètement nouveaux pour la métrologie d’ultra-précision. Cela pourrait, entre autres choses, examiner la question de savoir si les constantes naturelles sont réellement aussi constantes qu’on le suppose généralement. Cela faciliterait également la vérification de la théorie de la relativité d’Einstein. Nous sommes vraiment fiers d’avoir fait un premier pas important vers une horloge à noyau de scandium. Cette transition est sur le radar de la communauté des chercheurs depuis environ 30 ans et les nouvelles mesures sont très importantes pour la poursuite du développement.