Transition du thorium : 1000 fois plus d’énergie que pour les électrons

Les physiciens du monde entier sont sur le point de réaliser une avancée majeure dans le domaine de la physique quantique et nucléaire. Après des années de recherche, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Thorsten Schumm de l’Université technique de Vienne (TU Wien) a réussi à identifier et à manipuler un état spécifique des noyaux atomiques de thorium, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications technologiques et à des découvertes fondamentales en physique.

Une transition nucléaire longtemps recherchée

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont cherché à identifier un état particulier des noyaux atomiques de thorium, promettant des applications technologiques innovantes. Cette transition pourrait être utilisée pour construire une horloge nucléaire capable de mesurer le temps avec une précision inégalée, surpassant les meilleures horloges atomiques actuelles. Elle pourrait également permettre de répondre à des questions fondamentales en physique, comme la constance des constantes de la nature dans l’espace et le temps.

Grâce aux efforts d’une équipe de recherche dirigée par le professeur Thorsten Schumm de la TU Wien, en collaboration avec l’Institut national de métrologie de Braunschweig (PTB), cette transition tant attendue a enfin été découverte et son énergie précisément mesurée. Pour la première fois, il a été possible d’utiliser un laser pour transférer un noyau atomique dans un état d’énergie supérieur et de suivre précisément son retour à l’état initial. Cette avancée permet de combiner deux domaines de la physique jusqu’alors peu liés : la physique quantique classique et la physique nucléaire.

Des cristaux de thorium spécialement développés

La manipulation d’atomes ou de molécules à l’aide de lasers est aujourd’hui courante en physique quantique. Cependant, il semblait impossible d’appliquer ces techniques aux noyaux atomiques, car l’énergie nécessaire pour changer l’état d’un noyau est généralement mille fois supérieure à celle requise pour les électrons d’un atome ou d’une molécule. Les noyaux atomiques sont pourtant des objets quantiques idéaux pour les mesures de précision, étant moins sensibles aux perturbations externes que les atomes et les molécules.

Pour surmonter cet obstacle, l’équipe de recherche a développé des cristaux spéciaux contenant du thorium. Cette approche permet d’étudier simultanément un grand nombre de noyaux de thorium, amplifiant ainsi l’effet recherché et augmentant les chances de détecter la transition énergétique.

Une nouvelle ère de recherche

La découverte de la transition du thorium marque le début d’une nouvelle ère passionnante pour la recherche. Maintenant que l’équipe sait comment exciter l’état du thorium, cette technologie peut être utilisée pour des mesures de précision sans précédent. La construction d’une horloge atomique utilisant l’oscillation de la lumière qui excite la transition du thorium pourrait permettre une mesure du temps significativement plus précise que les meilleures horloges atomiques actuelles.

Au-delà de la mesure du temps, cette méthode pourrait être utilisée pour analyser le champ gravitationnel terrestre avec une précision inégalée, fournissant des indications sur les ressources minérales ou les séismes. Elle pourrait également permettre d’explorer des mystères fondamentaux de la physique, comme la constance des constantes de la nature dans le temps et l’espace.

Comme le souligne le professeur Thorsten Schumm, cette découverte n’est que le début d’une nouvelle ère de recherche prometteuse : «Nous ne pouvons pas encore prédire les résultats que nous obtiendrons avec cette méthode de mesure. Une chose est sûre, cela sera certainement très excitant.»

Légende illustration : Thorsten Schumm (TU Wien, Vienne) tenant l’un de ses cristaux. Credit: Foto Wilke

Article : “Local gate control of Mott metal-insulator transition in a 2D metal-organic framework” / Nature Communications / DOI: 10.1038/s41467-024-47766-8