Depuis des décennies, des chercheurs du monde entier travaillaient à atteindre cet objectif – et désormais, des avancées majeures se succèdent à un rythme rapide. Vienne abrite aujourd’hui la première horloge nucléaire au monde capable de se stabiliser elle-même, comme il est également d’usage dans les horloges atomiques. Il a été démontré que ce système reste stable pendant plus de 24 heures sans intervention. Cette technologie a le potentiel de dépasser significativement la précision des horloges atomiques précédentes. Il s’agit d’une étape importante vers un nouveau type de métrologie haute performance, permettant de mesurer un éventail de grandeurs physiques avec une précision jusque-là inatteignable.
Le contexte : du noyau atomique à l’horloge
Depuis des décennies, on soupçonnait que les noyaux atomiques de thorium possèdent une propriété très particulière qui en fait un outil idéal pour des mesures extrêmement précises : ils présentent deux états d’énergie différents dont les énergies sont extrêmement proches l’une de l’autre. Comme l’écart d’énergie entre ces deux états est exceptionnellement petit, il est possible d’utiliser un laser pour faire « basculer » délibérément le noyau atomique d’un état à l’autre. Dans les autres noyaux atomiques, les écarts d’énergie sont bien plus grands, c’est pourquoi ils ne réagissent pas à la lumière laser.
En avril 2024, l’équipe dirigée par le professeur Thorsten Schumm à l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien, avec l’équipe dirigée par le professeur Ekkehard Peik à la PTB de Brunswick, est parvenue pour la première fois à trouver cette transition nucléaire longtemps soupçonnée : les chercheurs ont pu montrer que les noyaux de thorium peuvent être excités par des faisceaux laser. À l’automne de la même année, l’équipe a démontré que cela peut effectivement servir à construire une horloge de haute précision : le dispositif d’excitation des noyaux de thorium a été couplé à une horloge atomique optique conventionnelle, et les noyaux de thorium ont servi de garde-temps.
Point crucial : la capacité d’autostabilisation
En toute rigueur, il ne s’agissait toutefois pas encore du type d’horloge nucléaire permettant d’établir des records de précision. « Ce que l’on veut vraiment, c’est une horloge nucléaire autostabilisée », explique le professeur Thorsten Schumm. « L’idée de base est simple : on a un laser et on a du thorium. Le laser modifie l’état d’énergie des noyaux de thorium, et les noyaux de thorium servent à stabiliser la fréquence du laser. »
Au cœur de l’horloge nucléaire se trouve un cristal contenant des atomes de thorium, produit à la TU Wien. Ce cristal est irradié par un laser. « L’oscillation de cette lumière laser peut être utilisée pour mesurer le temps, mais la fréquence du laser peut parfois se décaler légèrement, par exemple en raison de fluctuations de température », explique Thorsten Schumm. « Pour des mesures de haute précision, il faut donc un mécanisme permettant de maintenir la fréquence du laser exactement stable, afin que l’horloge continue de battre avec précision au même rythme. »
Dans les horloges atomiques ordinaires, ce sont les atomes et les états d’énergie de leurs électrons qui sont utilisés à cette fin – l’équipe de Thorsten Schumm utilise désormais des noyaux de thorium à la place. Ces noyaux de thorium absorbent la lumière laser, mais uniquement lorsque la fréquence du laser est exactement la bonne. Si la fréquence s’écarte ne serait-ce que légèrement de la valeur optimale, l’absorption diminue de manière mesurable. Dans ce cas, la fréquence du laser est automatiquement réajustée, et l’horloge continue de battre avec précision. On obtient ainsi la première horloge nucléaire autorégulée – sans nécessairement devoir recourir à une horloge atomique conventionnelle.
Très précise, mais pas encore au niveau des records mondiaux
« Le grand avantage de la nouvelle horloge nucléaire de Vienne est que, si l’on utilise des noyaux atomiques plutôt que des atomes, une précision bien plus élevée est possible en principe », déclare Thorsten Schumm. Les noyaux atomiques sont plus de dix mille fois plus petits que les atomes ; ils réagissent bien plus faiblement aux perturbations extérieures et sont donc des garde-temps bien plus fiables.
La précision de la nouvelle horloge nucléaire a été étudiée sur une journée et est d’environ 10 puissance moins 15 – ce qui correspond à une erreur d’environ une seconde en 30 millions d’années. « Ce n’est pas encore au niveau des meilleures horloges atomiques optiques au monde, mais pour un premier prototype, c’est un résultat fantastique », déclare Thorsten Schumm. La précision doit maintenant être considérablement améliorée grâce à plusieurs mesures, comme des lasers plus puissants et de meilleurs cristaux de thorium.
Article : A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : TUWien
