Finie l’horloge atomique : voici sa version nucléaire d’une précision encore plus redoutable !

Pour l'horloge comtoise, c'est le balancement du pendule qui marque le passage du temps. Poétique. Mais assez peu précis, tout de même. Beaucoup moins en tout cas que le décompte des oscillations d'un rayon laser. Surtout lorsque ledit rayon laser est couplé à un système quantique - les électrons d'un atome de césium, par exemple, qui basculent d'un état à un autre - qui réagit de manière extrêmement sélective à une fréquence donnée. Une façon de maintenir la fréquence du laser - en d'autres mots, le nombre de ses oscillations - presque parfaitement stable. C'est le principe de l'horloge atomique.

Un puissant faisceau laser traverse un gaz, créant un plasma et générant une lumière ultraviolette. La lumière laisse une ligne blanche visible lorsqu’elle interagit avec le gaz restant dans la chambre à vide. Ce processus aide les scientifiques à mesurer précisément l’énergie nécessaire pour exciter le noyau de thorium 229, qui est le cœur d’une future horloge nucléaire. © Chuankun Zhang, JILA

Un laser et des noyaux de thorium

Et depuis quelques décennies, des physiciensphysiciens imaginent pouvoir atteindre une précision encore plus grande en comptant, pour maintenir la fréquence du laser, non pas sur des atomes, mais sur des noyaux d'atomes. C'est l'idée de l'horloge nucléaire. Une horloge moins soumise aux perturbations de type champs électromagnétiqueschamps électromagnétiques parasitesparasites que sa cousine, l'horloge atomiquehorloge atomique.

Seulement, faire basculer des noyaux atomiques entre deux états demande de l'énergieénergie. Mille fois plus que celle véhiculée par les photonsphotons d'un laser. Sauf... dans le cas du thoriumthorium. Alors si l'on connait très précisément la différence d'énergie entre les deux états de ce noyau, tout devient possible. Et depuis des décennies, les physiciens ont cherché à la déterminer. Mais ce n'est qu'en avril dernier, qu'une équipe de l'université de Vienne (Autriche) a enfin publié, dans les Physical review letters, un résultat suffisamment précis.

Depuis que les physiciens ont lancé leur quête en 1976, la précision des valeurs d’énergie d’excitation du thorium a considérablement augmenté. Alors que les études précédentes ont amélioré la précision de leurs prédécesseurs par des facteurs de 2 à 7, les travaux des chercheurs de l’université de Vienne (Autriche) sont plus précis que ceux de leur prédécesseur immédiat de 2023 d’un facteur 800 ! © P. Thirolf/LMU ; J. Tiedau et al. ; L. A. Kroger et C. W. Reich ; K. Beeks et al. ; S. Kraemer et al. ; adapted by APS/A. Stonebraker

Les promesses d’une horloge nucléaire

Avant d'en arriver à la première horloge nucléaire que les physiciens du Jila, un institut conjoint du National Institute of Standards and Technology (Nist) et de l'université du Colorado (États-Unis), présentent aujourd'hui dans la revue Nature, il leur aura encore fallu trouver quelques astuces. Une manière de transformer la lumièrelumière infrarougeinfrarouge émise par leur laser en lumière ultraviolette - d'une fréquence plus élevée d'où, aussi, la plus grande précision obtenue -, seule susceptible d'interagir avec les noyaux de thorium. Ou encore le moyen de fabriquer un cristal de ces noyaux.

Le prototype d'horloge nucléaire mis au point par les chercheurs n'est pas encore plus précis qu'une horloge atomique. Mais il devrait le devenir d'ici deux ou trois ans, après quelques améliorations. Et cela devrait permettre non seulement de mesurer plus précisément le temps, mais aussi d'autres grandeurs physiquesphysiques. Jusqu'à s'assurer que celles que nous considérons comme des constantes de la nature le sont effectivement. Plus concrètement, les futures horloges nucléaires pourraient apporter encore plus de précisions à nos systèmes de navigation et plus de vitessesvitesses à nos connexions InternetInternet.