Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape majeure vers le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques. Ces horloges ont un énorme potentiel qui pourrait affecter la science fondamentale et diverses industries, de la physique nucléaire à la navigation par satellite et aux télécommunications.
Principaux enseignements
| Les horloges atomiques actuelles, comme l’horloge au césium-133 ou l’horloge au strontium-87, reposent sur les oscillations des électrons dans un atome. |
| Le scandium-45 est un isomère nucléaire qui a été excité de manière résonante pour la première fois par l’équipe de recherche. Il permet une précision d’une seconde en 300 milliards d’années. |
| Une horloge nucléaire est une horloge qui pourrait exploiter l’oscillation du noyau atomique plutôt que de sa coquille électronique. Elle pourrait offrir une précision encore plus grande que les horloges atomiques actuelles. |
| Les horloges nucléaires pourraient inaugurer une nouvelle ère de la mesure du temps de précision et permettre des applications transformatrices dans de nombreux domaines. |
| L’équipe de recherche se concentre déjà sur les prochaines étapes et objectifs, qui comprennent la détermination de l’énergie de transition résonante avec une précision encore plus grande, la mesure de la durée de vie exacte d’un état isomère, l’observation de la diffusion nucléaire vers l’avant cohérente et la mesure de la largeur de ligne de la transition nucléaire. |
Les travaux de l’équipe, dirigés par le Dr. Yuri Shvyd’ko, physicien senior au Laboratoire National d’Argonne, ont pour la première fois excité de manière résonante l’isomère nucléaire du scandium-45 avec les impulsions de rayons X les plus brillantes du monde à l’installation de laser à rayons X de l’EuXFEL (European XFEl). Ils ont déterminé la position de cette résonance nucléaire avec une précision sans précédent. Leurs découvertes ont été rapportées dans la revue Nature, à la fois en ligne et dans l’édition imprimée du 19 octobre.
« Les horloges atomiques, comme l’horloge au césium-133 ou l’horloge au strontium-87, reposent sur les oscillations des électrons dans un atome, qui peuvent osciller à des fréquences très fiables lorsqu’elles sont excitées par des radiations micro-ondes ou optiques », a expliqué Kocharovskaya, chercheuse principale du projet de la National Science Foundation (NSF) qui a initié et soutenu cette recherche.
Le scandium-45, un élément clé
Le scandium, un élément utilisé dans les composants aérospatiaux et les équipements sportifs, permet une précision d’une seconde en 300 milliards d’années, soit environ mille fois plus de précision que l’horloge atomique standard actuelle.
La combinaison du scandium-45 et des impulsions de rayons X ultra-brillantes rapproche les scientifiques d’un pas décisif vers la création de la première horloge nucléaire qui pourrait exploiter l’oscillation du noyau atomique plutôt que de sa coquille électronique.
Vers une nouvelle ère de la mesure du temps
« Pour des objectifs qui exigent une telle précision, y compris l’étude de certains aspects de la relativité, de la théorie de la gravitation et d’autres phénomènes physiques tels que la matière noire, l’horloge nucléaire est l’instrument de mesure du temps ultime », a commenté le Dr. Xiwen Zhang, chercheur postdoctoral dans le groupe de Kocharovskaya qui a co-écrit l’article.
Avec leur précision allant jusqu’à une partie sur 10,000,000,000,000,000,000, le Dr. Grigory V. Rogachev, physicien à l’Université Texas A&M, note que les horloges nucléaires pourraient inaugurer une nouvelle ère de la mesure du temps de précision et permettre des applications transformatrices dans de nombreux domaines, entraînant une multitude d’applications et d’avancées.
En synthèse
Les recherches de l’équipe internationale ont permis de franchir une étape majeure dans le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques. En utilisant le scandium-45 et des impulsions de rayons X ultra-brillantes, ils ont réussi à exciter de manière résonante l’isomère nucléaire du scandium-45, ouvrant la voie à la création de la première horloge nucléaire. Cette avancée pourrait avoir des applications dans la métrologie extrême, la spectroscopie ultra-haute et potentiellement de nombreux autres domaines.
Ne se reposant jamais sur ses lauriers, l’équipe se concentre déjà sur les prochaines étapes et les prochains objectifs, à commencer par la détermination de l’énergie de transition résonante avec une précision encore plus grande et la mesure de la durée de vie exacte d’un état isomère. En outre, l’observation de la diffusion nucléaire cohérente vers l’avant et la mesure de la largeur de ligne de la transition nucléaire sont également à l’ordre du jour.
« Les deux étapes suivantes peuvent être réalisées de manière relativement simple », a reconnu M. Zhang. « La troisième étape est extrêmement difficile, mais elle est absolument essentielle pour estimer la précision et la stabilité projetées de toute future horloge nucléaire. En tant que groupe et en tant qu’équipe de recherche élargie, nous sommes tous impatients de relever ce défi ».
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?
Une horloge atomique est un type d’horloge qui utilise les oscillations des électrons dans un atome pour mesurer le temps avec une précision extrême. Les horloges atomiques actuelles, comme l’horloge au césium-133 ou l’horloge au strontium-87, peuvent osciller à des fréquences très fiables lorsqu’elles sont excitées par des radiations micro-ondes ou optiques.
Qu’est-ce que le scandium-45 et pourquoi est-il important ?
Le scandium-45 est un isomère nucléaire qui a été excité de manière résonante pour la première fois par l’équipe de recherche. Il permet une précision d’une seconde en 300 milliards d’années, soit environ mille fois plus de précision que l’horloge atomique standard actuelle.
Qu’est-ce qu’une horloge nucléaire ?
Une horloge nucléaire est une horloge qui pourrait exploiter l’oscillation du noyau atomique plutôt que de sa coquille électronique. Elle pourrait offrir une précision encore plus grande que les horloges atomiques actuelles.
Quels sont les avantages potentiels des horloges nucléaires ?
Les horloges nucléaires pourraient inaugurer une nouvelle ère de la mesure du temps de précision et permettre des applications transformatrices dans de nombreux domaines, y compris l’étude de certains aspects de la relativité, de la théorie de la gravitation et d’autres phénomènes physiques tels que la matière noire.
Quelles sont les prochaines étapes pour l’équipe de recherche ?
L’équipe de recherche se concentre déjà sur les prochaines étapes et objectifs, qui comprennent la détermination de l’énergie de transition résonante avec une précision encore plus grande, la mesure de la durée de vie exacte d’un état isomère, l’observation de la diffusion nucléaire vers l’avant cohérente et la mesure de la largeur de ligne de la transition nucléaire.
Les informations de cet article sont basées sur les travaux de l’équipe de recherche internationale dirigée par le Dr. Olga Kocharovskaya et le Dr. Yuri Shvyd’ko, publiés dans la revue Nature.
Article : « Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc » – DOI: 10.1038/s41586-023-06491-w
Légende illustration principale : Représentation artistique de l’horloge nucléaire à scandium. Les scientifiques ont utilisé les impulsions de rayons X du laser européen XFEL pour exciter le noyau atomique du scandium – le type de processus qui peut générer un signal d’horloge avec une précision sans précédent d’une seconde sur 300 milliards d’années. Crédit : European XFEL/Helmholtz Institute Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
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