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Température, vibrations, bruit… Rien n'altère cette horloge

Température, vibrations, bruit… Rien n’altère cette horloge

par La rédaction
21 mars 2025
en Energie, Nucléaire

La mesure du temps, pilier des technologies modernes, pourrait bientôt franchir un seuil inédit. En effet, les horloges atomiques régissent aujourd’hui la navigation spatiale et les expériences de physique. Une collaboration internationale explore une alternative de rupture : l’horloge nucléaire. En exploitant une transition énergétique ultra-stable dans le noyau du thorium-229, les chercheurs visent une précision insensible aux perturbations environnementales. Dirigée par Jun Ye du JILA, cette recherche ne se contente pas de repousser les limites de la chronométrie — elle ouvre une fenêtre sur des phénomènes physiques encore inexpliqués.

Points forts
Une équipe internationale explore l’horloge nucléaire, un dispositif potentiellement plus stable que les horloges atomiques actuelles, en exploitant une transition énergétique unique dans le noyau du thorium-229.
La transition nucléaire étudiée montre une sensibilité réduite aux variations de température, avec un déplacement de fréquence 30 fois plus faible que d’autres transitions, ouvrant la voie à une précision inégalée.
Des chercheurs du JILA, du NIST, de l’université du Colorado Boulder et de l’université technique de Vienne combinent leurs expertises pour dépasser les limites de la chronométrie traditionnelle.
Au-delà de la mesure du temps, cette recherche pourrait tester des théories physiques au-delà du Modèle standard, comme la détection de matière noire ou de variations des constantes universelles.
L’utilisation de cristaux dopés au thorium et de systèmes de contrôle thermique personnalisés illustre l’innovation technique nécessaire pour domestiquer ce phénomène quantique.

L’idée d’une horloge basée sur une transition nucléaire plutôt qu’électronique n’est pas née hier. En 2023, le laboratoire de Jun Ye avait déjà marqué un tournant en publiant dans Nature la première mesure précise de la transition du thorium-229, intégré dans un cristal hôte. Cette avancée validait le potentiel de ce noyau, dont l’énergie de transition — inhabituellement faible pour un phénomène nucléaire — permet d’utiliser des lasers ultraviolets au lieu de rayons gamma, simplifiant son observation.

Toutefois, pour transformer cette découverte en un dispositif opérationnel, il fallait comprendre comment cette transition réagirait aux variations environnementales, notamment thermiques. Une étude récente, publiée dans Physical Review Letters et distinguée comme « choix des éditeurs », a porté sur ce défi. Les chercheurs ont chauffé et refroidi un cristal de fluorure de calcium dopé au thorium-229 à trois températures distinctes : 150 K (−123 °C), 229 K (−44 °C) et 293 K (température ambiante). À chaque étape, ils ont mesuré les déplacements de fréquence de la transition nucléaire à l’aide d’un peigne de fréquences laser, révélant une dynamique complexe.

Un équilibre subtil entre expansion et interactions

L’analyse a mis en lumière deux effets antagonistes. D’une part, la dilatation thermique du cristal modifie les gradients de champ électrique autour des noyaux de thorium, provoquant une séparation des lignes spectrales. D’autre part, la densité électronique du cristal évolue avec la température, influençant les interactions entre le noyau et son environnement. Ces phénomènes, bien que contraires, se compensent partiellement pour une transition spécifique. Sur l’ensemble de la plage testée, celle-ci n’a varié que de 62 kilohertz, soit une stabilité trente fois supérieure à celle des autres transitions observées.

« Ce comportement est extrêmement prometteur pour une application horlogère », souligne Jacob Higgins, chercheur postdoctoral au JILA et premier auteur de l’étude. « La faible sensibilité à la température est exactement ce que nous cherchons pour un dispositif de précision. »

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Vers une horloge compacte et résistante

L’objectif à terme est de concevoir une horloge nucléaire compacte, capable de maintenir une stabilité de fréquence de l’ordre de 10⁻¹⁸ en fonctionnement continu. Contrairement aux horloges atomiques optiques actuelles, qui exigent des conditions de laboratoire rigoureuses, une horloge nucléaire solide pourrait être déployée dans des environnements plus variés, grâce à la résistance intrinsèque du noyau aux perturbations.

Pour y parvenir, l’équipe explore désormais un « point idéal » thermique, situé entre 150 K et 229 K, où la transition serait virtuellement insensible aux variations de température. « Cela simplifierait énormément la conception d’un dispositif portable », explique Chuankun Zhang, doctorant au JILA.

Ingénierie sur mesure

La réalisation de ces expériences a nécessité des équipements sur mesure, conçus en collaboration avec les ateliers de mécanique du JILA. Le support du cristal, le système de refroidissement à azote liquide et les pièges à température contrôlée ont été fabriqués localement, permettant une adaptation rapide des prototypes. « Sans cette expertise interne, nous n’aurions pas pu atteindre ce niveau de précision », confie Tian Ooi, membre de l’équipe.

Si l’horloge nucléaire promet une révolution technologique, ses implications scientifiques sont tout aussi captivantes. La transition du thorium-229, bien que stable face aux perturbations classiques, reste sensible aux variations des constantes fondamentales — comme la constante de couplage des interactions nucléaires. Toute déviation inattendue pourrait révéler des phénomènes au-delà du Modèle standard, tels que l’existence de matière noire ou de nouvelles particules.

« Cette recherche pourrait non seulement améliorer notre maîtrise du temps, mais aussi transformer notre compréhension de l’univers », conclut Jun Ye.

Soutenue par des institutions comme l’US Army Research Office, la National Science Foundation et le Quantum System Accelerator, cette collaboration entre le JILA, le NIST et l’université technique de Vienne incarne l’ambition d’une science à la frontière du savoir. Dans un domaine où la précision se mesure en milliardièmes de seconde, chaque découverte est un pas vers l’inconnu — et le thorium-229 pourrait bien être la clé d’un nouveau chapitre de l’histoire humaine.

Lexique :

  1. Horloge nucléaire : Dispositif mesurant le temps via une transition énergétique au sein d’un noyau atomique, offrant une stabilité supérieure aux horloges atomiques traditionnelles.
  2. Transition nucléaire : Changement d’état énergétique au sein du noyau d’un atome, ici le thorium-229, exploité pour sa faible sensibilité aux perturbations externes.
  3. Thorium-229 : Isotope rare présentant une transition nucléaire à basse énergie, unique par sa compatibilité avec les lasers ultraviolets.
  4. Stabilité de fréquence : Mesure de la régularité d’un signal temporel, visant ici une précision de 10⁻¹⁸, soit une seconde d’erreur sur des milliards d’années.
  5. Cristal hôte : Matériau solide (comme le fluorure de calcium) dopé avec des atomes de thorium, optimisant la densité et l’accessibilité des noyaux pour les mesures.
  6. Peigne de fréquences : Outil laser générant des raies spectrales ultra-précises, utilisé pour cartographier les déplacements de la transition nucléaire.
  7. Modèle standard : Cadre théorique décrivant les particules élémentaires et leurs interactions, dont la transition du thorium-229 pourrait révéler des limites ou des extensions.

Légende illustration : La température d’un cristal de fluorure de calcium dopé au thorium est surveillée en permanence tandis qu’un peigne de fréquences VUV est utilisé pour résoudre directement les états quantiques individuels de la transition nucléaire. Crédit photo : Steven Burrows/Ye group

Article : « Temperature Sensitivity of a Thorium-229 Solid-State Nuclear Clock »- DOI : 10.1103/PhysRevLett.134.113801

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Tags: cristalhorlogelaserultraviolet
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For decades, atomic clocks have been the pinnacle of precision timekeeping, enabling GPS navigation, cutting-edge physics research, and tests of fundamental theories. But researchers at JILA, led by JILA and NIST Fellow and University of Colorado Boulder physics professor Jun Ye, in collaboration with the Technical University of Vienna, are pushing beyond atomic transitions to something potentially even more stable: a nuclear clock. This clock could revolutionize timekeeping by using a uniquely low-energy transition within the nucleus of a thorium-229 atom. This transition is less sensitive to environmental disturbances than modern atomic clocks and has been proposed for tests of fundamental physics beyond the Standard Model.

This idea isn’t new in Ye’s laboratory. In fact, work in the lab on nuclear clocks began with a landmark experiment, the results of which were published as the cover article of Nature last year, where the team made the first frequency-based, quantum-state-resolved measurement of the thorium-229 nuclear transition in a thorium-doped host crystal. This achievement confirmed that thorium’s nuclear transition could be measured with enough precision to be used as a timekeeping reference. 

However, to build a precise clock, researchers must fully characterize how the transition responds to external conditions, including temperature. That’s where this new investigation—an “Editor’s Choice” paper published in Physical Review Letters—comes in, as the team studied the energy shifts in the thorium nuclei as the crystal containing the atoms was heated to different temperatures. 

“This is the first step toward characterizing the systematics of the nuclear clock,” says JILA postdoctoral researcher Dr. Jacob Higgins, the study's first author. “We have found a transition that’s relatively insensitive to temperature, which is exactly what we want for a precision timekeeping device.”

“A solid-state nuclear clock has a great potential to become a robust and portable timing device that is highly precise,” notes Jun Ye. “We are searching for the parameter space for a compact nuclear clock to maintain 10-18 fractional frequency stability for continuous operation.” 

The Precision of Nuclear Clocks

Because the nucleus of an atom is less affected by environmental disturbances than its electrons, a nuclear clock could retain accuracy under conditions where atomic clocks would falter, as the clock is more resistant to noise. Among all other nuclei, thorium-229 is particularly well-suited for this because it has a nuclear transition with unusually low energy, making it possible to probe with ultraviolet laser light rather than high-energy gamma rays. 

As opposed to measuring thorium in a trapped ion system, the Ye lab has taken a different approach: embedding thorium-229 into a solid-state host—a calcium fluoride (CaF₂) crystal. This method, developed by their collaborators at the Technical University of Vienna, allows for a much higher density of thorium nuclei than traditional ion-trap techniques. More nuclei means stronger signals and better stability for measuring the nuclear transition.

Heating a Nuclear Clock

To look at how temperature affects this nuclear transition, the researchers both cooled and heated the thorium-doped crystal to three different temperatures: 150K (-123°C) with liquid nitrogen, 229K (-44°C) with a dry ice-methanol mixture, and 293K (around room temperature). Using a frequency comb laser, they measured how the nuclear transition frequency shifted at each temperature, revealing two competing physical effects within the crystal.

For one effect, as the crystal warmed, it expanded, subtly altering the atomic lattice and shifting the electric field gradients experienced by the thorium nuclei. This electric field gradient caused the thorium transition to split into multiple spectral lines, which shifted in different directions as the temperature changed. The second effect is that the lattice expansion also changed the charge density of electrons in the crystal, modifying the electrons’ interaction strength with the nucleus and causing the spectral lines to move in the same direction. 

As these two effects fought for control of the thorium atoms, one particular transition was observed to be far less temperature-sensitive than the others, as the two effects mostly canceled each other out. Across the full temperature range examined, this transition shifted by only 62 kilohertz, a shift at least 30 times smaller than in the other transitions.

“This transition is behaving in a way that’s really promising for clock applications,” adds Chuankun Zhang, a JILA graduate student. “If we can stabilize it further, it could be a real game-changer in precision timekeeping.”

As a next step, the team plans to look for a temperature ‘sweet spot’ where the nuclear transition remains almost completely independent of temperature. Their initial data suggests that somewhere between 150K and 229K, the transition frequency would be even easier to temperature stabilize, providing an ideal operating condition for a future nuclear clock.

Customizing a Nuclear Clock System

Building an entirely new type of clock requires one-of-a-kind-designed equipment, much of which doesn’t exist to the level of customization required. Thanks to JILA’s instrument shop—with its machinists and engineers—the team was able to create critical components for their experiment.

“Kim Hagan and the whole instrument shop have been super helpful throughout this process,” Higgins notes. “They machined the crystal mount, which holds the thorium-doped crystal, and built parts of the cold trap system that allowed us to control the temperature precisely.”

Having in-house machining expertise allowed the researchers to quickly iterate on designs and ensure that even small changes—such as swapping out the crystal—could be done with ease. 

“If we only had used off-the-shelf parts, we wouldn’t have had the same level of confidence in our setup,” adds JILA graduate student Tian Ooi, another team member. “The custom-built pieces from the instrument shop save us so much time.”

Sensing Beyond Time

While the primary goal of this research is to develop a more stable nuclear clock, its implications go beyond timekeeping. The thorium nuclear transition is very insensitive to disturbances in its environment, but highly sensitive to variations in fundamental forces—any unexpected shift in its frequency could indicate new physics, such as the presence of dark matter.

“The nuclear transition’s sensitivity could allow us to probe new physics,” Higgins explains. “Beyond just making a better clock, this could open doors to entirely new ways of studying the universe.”

This research was supported by the Army Research Office, the Air Force Office of Scientific Research, the National Science Foundation, the Quantum System Accelerator, and the National Institute of Standards and Technology (NIST).

Journal

Physical Review Letters

DOI

10.1103/PhysRevLett.134.113801

Article Title

Temperature Sensitivity of a Thorium-229 Solid-State Nuclear Clock

COI Statement

The authors declare no conflict of interest

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