Prenez une seconde et transformez-la en billions de moments. Mesurez chacun d’eux. Voilà avec quelle précision une horloge atomique du Centre for Quantum Technologies (CQT) de Singapour mesure le temps – et avec une exactitude record, selon les résultats publiés dans Nature le 23 septembre.
« Je suis convaincu que ce que nous avons aujourd’hui est l’horloge la plus précise au monde », déclare le chef d’équipe Murray Barrett, chercheur principal au CQT et professeur associé au département de physique de la National University of Singapore.
Les chercheurs fondent leur affirmation sur des mesures montrant que leur horloge atomique, construite à partir de l’élément lutétium, surpasse les précédents détenteurs du record, bâtis avec d’autres éléments.
Des horloges plus précises laissent espérer sonder des inconnues de la physique fondamentale et surveiller les variations gravitationnelles à travers la Terre – et elles aspirent à redéfinir la seconde.
Repousser les limites de la mesure du temps
Les horloges atomiques mesurent le temps en référence à une transition atomique, lorsqu’un des électrons de l’atome change de niveau d’énergie. La fréquence de cette transition est une propriété fixe de l’atome. Un laser est accordé à cette « transition d’horloge », et les oscillations de la lumière agissent comme un pendule pour compter le temps.
La méthode de base est en place depuis des décennies. Les atomes de césium constituent l’étalon mondial du temps depuis les années 1960, et les horloges atomiques au césium font déjà fonctionner le Global Positioning System (GPS) et synchronisent les réseaux de communication et de transport.
Mais les scientifiques repoussent les limites de la mesure du temps avec d’autres éléments.
Des éléments comme l’ytterbium, le strontium et l’aluminium, récents détenteurs de records, oscillent bien plus vite que le césium, ce qui les aide à mesurer le temps plus précisément. L’organisme international responsable des étalons de temps examine les données de ces nouvelles horloges atomiques optiques en vue d’une redéfinition de la seconde attendue en 2030 ou après.
L’équipe du CQT a commencé à travailler avec le lutétium il y a plus de dix ans, avec l’intuition que cet élément possédait les propriétés voulues pour rejoindre l’ensemble des horloges les plus performantes. À sa connaissance, l’équipe est à ce jour le seul groupe à travailler avec cet élément pour la mesure du temps.
Aujourd’hui, l’équipe a mesuré la fréquence de son horloge au lutétium jusqu’à 19 décimales, rapportant une incertitude de 1 x 10-19, la plus faible jamais signalée pour une horloge atomique optique à ce jour. Elle a aussi construit deux horloges et comparé leurs battements l’une à l’autre. Les horloges concordaient à une incertitude de 5,7 x 10-19, soit la comparaison d’horloges la plus précise jamais réalisée. Des mesures supplémentaires pourraient réduire encore cette incertitude.
L’avantage du lutétium
Les bonnes performances du lutétium viennent des propriétés de l’atome : sa transition d’horloge ne ressent guère les changements de température ou de champ magnétique. Dans d’autres éléments, ces facteurs environnementaux peuvent légèrement faire varier la fréquence de la transition d’horloge.
« À l’avenir, je ne vois tout simplement pas comment cette horloge pourrait être battue », déclare le professeur associé Barrett. Son équipe a consacré plus de dix ans d’ingénierie de précision à son dispositif d’horloge atomique, testant différentes propriétés de l’atome. Ce travail a notamment consisté à inventer un schéma appelé « hyperfine averaging » (moyennage hyperfin) pour définir la transition d’horloge.
« Les bonnes propriétés signifient qu’une grande précision peut être atteinte même dans une large gamme d’environnements », déclare le professeur associé Barrett. « L’horloge au lutétium serait stable même si vous passiez de l’endroit le plus chaud jamais enregistré sur Terre, la Vallée de la Mort, à l’endroit le plus froid, le plateau Antarctique. »
Deux valent mieux qu’une
La confiance de l’équipe est renforcée par sa comparaison d’horloges, réalisée à l’aide d’une technique appelée spectroscopie de corrélation, sur 200 heures de mesure.
Chaque horloge au lutétium est constituée d’un unique ion 176Lu+ chargé, dont la transition d’horloge est accordée à un laser d’une longueur d’onde de 848 nanomètres.
« Il existe un dicton humoristique selon lequel « un homme avec une montre sait quelle heure il est. Un homme avec deux montres n’est jamais sûr » », déclare le Dr Kyle Arnold, chercheur scientifique principal au CQT de la National University of Singapore (NUS) et co-premier auteur de l’article. « Cela vous dit en substance que le seul moyen de tester l’exactitude d’un étalon est de comparer les horloges et de démontrer la reproductibilité. »
Idéalement, l’équipe comparerait aussi son horloge au lutétium aux autres meilleures horloges atomiques du monde, mais un obstacle se dresse. Les horloges atomiques optiques au niveau de 10-19 sont si précises qu’elles peuvent ressentir le ralentissement du temps sous l’effet de la gravité sur des différences de hauteur de quelques millimètres. La mesure comparative de l’équipe du CQT pourrait résoudre une différence de hauteur de 5 mm entre ses horloges posées sur la même table. Pour s’assurer que cela ne limitait pas leur mesure, ils ont mesuré indépendamment la différence de hauteur des ions Lu+ en dessous du niveau du millimètre. Les différences de gravité entre différents endroits de la Terre ne sont pas encore connues avec assez de précision pour comparer des horloges à ce niveau.
Pour permettre de nouvelles comparaisons et explorer de futures applications, l’horloge doit sortir du laboratoire. « La prochaine étape consiste à passer de l’horloge de laboratoire à un système miniaturisé et transportable », déclare M. Michael Lee, co-premier auteur de l’article et doctorant au sein de l’équipe de la NUS. Les chercheurs s’attendent à pouvoir réduire la taille de leur horloge sans compromettre la précision.
Article : ‘Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : NUS
