Horloge nucléaire optique : excitation par laser du thorium 229 dans un matériau non transparent

Des chercheurs de Los Angeles, Munich et Mayence ouvrent de nouvelles voies pour les technologies quantiques basées sur le noyau atomique

Une équipe de recherche de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA), de l’Université Ludwig Maximilian de Munich (LMU) et de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) est parvenue à exciter le noyau atomique de l’isotope thorium-229 en utilisant la lumière laser dans un matériau hôte non transparent. Cette réussite ouvre une toute nouvelle classe de matériaux pour la spectroscopie laser nucléaire – une étape décisive vers de nouvelles technologies quantiques telles que l’horloge nucléaire optique très prometteuse. Les résultats de l’étude viennent d’être publiés dans la prestigieuse revue scientifique Nature.

Du contrôle de la couche électronique à la manipulation du noyau atomique

Depuis les années 1960, les scientifiques utilisent des lasers pour manipuler avec précision la couche électronique – une approche qui a conduit à des développements technologiques comme les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques. La manipulation ciblée des noyaux atomiques à l’aide de la lumière laser reste cependant un jeune domaine de recherche : ce n’est qu’en 2024 que des chercheurs ont réussi pour la première fois à exciter directement un noyau atomique en utilisant la lumière laser.

Élargir la gamme des matériaux utilisables

Jusqu’à présent, l’excitation expérimentale du noyau de thorium-229 n’avait réussi que dans des matériaux hôtes transparents à la lumière laser de 148 nm requise pour l’excitation. La démonstration nouvellement réalisée dans un matériau non transparent – qui incorpore et stabilise les atomes de thorium tout en restant presque opaque à la lumière laser – élargit considérablement la gamme des substances utilisables. Dans le même temps, ce travail ouvre le champ de la spectroscopie Mössbauer IC basée sur le laser, un outil entièrement nouveau pour étudier les noyaux atomiques dans des environnements solides.

« Cette réussite ouvre la porte à un domaine de la physique nucléaire jusque-là inaccessible », explique le Dr Lars von der Wense de l’Institut de physique de la JGU, qui a le premier proposé l’expérience en 2017. « Le fait que nous puissions désormais réaliser l’excitation nucléaire dans des matériaux non transparents permet des expériences totalement nouvelles – et nous rapproche considérablement de la réalisation d’une horloge nucléaire optique. »

Une telle horloge nucléaire est considérée comme potentiellement l’étalon de temps le plus stable jamais conçu. Entre autres, elle pourrait révolutionner la navigation par satellite et permettre des applications plus précises dans l’observation de la Terre, le transport autonome et la recherche fondamentale. Une attention particulière est également portée aux questions de physique fondamentale, comme la recherche de variations temporelles des constantes de la nature et la détection de la matière noire.

Avec leur récente réussite, les chercheurs ont jeté les bases de nombreuses expériences et applications futures – et ont démontré le vaste potentiel qui réside dans la combinaison de la technologie laser de pointe avec la physique nucléaire.

Article : Laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy of 229ThO2 – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Université Johannes Gutenberg de Mayence