Horloges nucléaires : deux équipes franchissent le seuil opérationnel

Deux groupes de recherche indépendants, l’un à Vienne et l’autre à Pékin, ont mis au point les premières horloges nucléaires fonctionnelles. Fondés sur les oscillations du noyau de thorium-229 plutôt que sur celles des électrons, ces instruments annoncent une mesure du temps d’une robustesse inédite, exploitable hors des laboratoires.

La chronométrie vient de vivre une mutation discrète. Après plus de vingt ans de travaux, deux équipes indépendantes ont construit les premières horloges nucléaires opérationnelles, des instruments qui mesurent le temps en captant les oscillations à l’intérieur d’un noyau atomique, et non plus dans le nuage d’électrons périphérique. Les deux groupes livrent leurs résultats dans des prépublications déposées sur arXiv début juin.

Le premier, dirigé par le physicien Thorsten Schumm à la TU Wien en Autriche, et le second, basé à l’Université Tsinghua sous la houlette de Shiqian Ding et du premier auteur Beichen Huang, ont chacun réussi à stabiliser un laser ultraviolet sous vide sur la transition nucléaire à 148 nanomètres de noyaux de thorium-229 incorporés dans des cristaux de fluorure de calcium. Chaque système intègre une boucle de rétroaction qui ajuste en continu la fréquence du laser pour épouser la résonance nucléaire. Or la capacité de verrouillage ainsi obtenue distingue une horloge authentique d’une simple expérience de spectroscopie.

Le chaînon manquant

« C’était la dernière étape manquante avant de pouvoir parler d’une véritable horloge », a résumé Lars von der Wense, physicien à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, qui n’a participé à aucun des deux projets, auprès du magazine Science News.

L’équipe de Tsinghua annonce une instabilité de fréquence fractionnaire de 2 × 10⁻¹² par racine carrée du temps d’intégration en secondes, valeur qui descend à environ 2 × 10⁻¹⁴ sur une longue période. Le groupe viennois, de son côté, rapporte une instabilité de 3 × 10⁻¹² par racine carrée du temps d’intégration, approchant 10⁻¹⁵ après une journée entière de fonctionnement continu, sans intervention humaine. Les deux systèmes opèrent à température ambiante ou à son voisinage, sans recourir aux installations cryogéniques ni aux dispositifs à vide poussé qu’exigent les horloges atomiques optiques les plus performantes.

Un noyau bien moins vulnérable aux perturbations

Le noyau atomique est environ 10 000 fois plus petit que le nuage électronique qui l’entoure. Il en résulte une sensibilité radicalement moindre aux champs électriques parasites, aux écarts de température et à quantité d’autres bruits environnementaux. Une telle robustesse laisse entrevoir des horloges d’une stabilité peu commune, assez compactes pour une utilisation sur le terrain et assez précises pour sonder l’évolution des constantes fondamentales de la physique.

L’équipe de Vienne n’a pas attendu pour exploiter ces possibilités. Son dispositif a aussitôt été mis à contribution dans une recherche de matière noire ultralégère. Selon les données rapportées, l’horloge nucléaire surpasse déjà les horloges atomiques dans sa capacité à contraindre la façon dont la matière noire se couplerait à la force nucléaire forte et aux quarks. La sensibilité accrue découle d’une particularité physique : la transition nucléaire du thorium-229 se montre des milliers de fois plus réactive aux variations de la constante de structure fine que les transitions électroniques exploitées par les horloges atomiques classiques.

Une course à l’accélération fulgurante

Les deux équipes reconnaissent que leurs dispositifs n’égalent pas encore la précision brute des meilleures horloges atomiques optiques mondiales, dont les incertitudes fractionnaires descendent sous la barre des 10⁻¹⁸. Mais la cadence des avancées force l’attention. En mars dernier, une dizaine de groupes en Chine, en Europe, au Japon et aux États-Unis en étaient encore à assembler les composants de base. En 2024, l’équipe viennoise parvenait tout juste à localiser la résonance du thorium. Moins de deux ans plus tard, une horloge fonctionnelle existe.

« Ce qui m’a le plus impressionné, c’est que le système a fonctionné en continu pendant 24 heures sans aucune intervention humaine », a déclaré Ekkehard Peik, de l’Institut national de métrologie allemand PTB, co-auteur de l’article européen.

La chronométrie nucléaire, longtemps confinée aux spéculations théoriques, entre désormais dans une phase de développement technique. Les perspectives qu’elle ouvre, qu’il s’agisse de tester les lois fondamentales de la physique ou de débusquer des signatures de matière noire, pourraient recomposer le paysage de la métrologie de précision dans les années à venir.

Article : « A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop » – DOI : 10.48550/arXiv.2606.04997