Un cristal chinois ouvre la voie aux horloges nucléaires au thorium

Des chercheurs de l’Institut technique de physique et de chimie du Xinjiang ont développé le premier cristal capable de produire la lumière ultraviolette nécessaire aux horloges nucléaires au thorium-229. Leur technique, publiée dans Advanced Materials, pourrait permettre à terme la navigation autonome des sous-marins et des sondes spatiales sans recours au GPS.

La course aux horloges nucléaires vient de franchir une étape décisive avec la création d’un cristal capable de générer la lumière ultraviolette spécifique requise pour exciter le noyau du thorium-229. Ce composé borate fluoré, mis au point par l’équipe de Pan Shilie à l’Institut technique de physique et de chimie du Xinjiang, abaisse la lumière laser jusqu’à une longueur d’onde de 145,2 nanomètres, battant ainsi un record détenu depuis les années 1990.

Un saut technologique majeur

Le précédent matériau de référence, le fluoroborate de béryllium et de potassium (KBBF), également développé en Chine, ne pouvait atteindre qu’environ 150 nanomètres. Cette différence, bien que minime en apparence, est déterminante : elle permet désormais de satisfaire l’exigence fondamentale des horloges nucléaires au thorium, qui nécessitent une longueur d’onde d’environ 148,3 nanomètres pour exciter le noyau atomique. « Ces travaux ouvrent la voie au développement pratique de l’horloge nucléaire au thorium-229 », souligne l’équipe de recherche dans sa publication.

Contrairement aux horloges atomiques conventionnelles qui mesurent le temps à partir des vibrations des électrons, les horloges nucléaires s’appuient sur les oscillations au sein même du noyau atomique. Cette approche présente un avantage fondamental : le noyau est bien mieux isolé des perturbations environnementales que les électrons, ce qui pourrait offrir une précision temporelle considérablement supérieure.

Un défi technique de longue date

La réalisation d’une horloge nucléaire fonctionnelle se heurtait jusqu’à présent à un obstacle majeur : l’absence de source laser adéquate. Comme le rappelait récemment un article dans Nature, « aucun laser de ce type n’a encore été fabriqué ». Le cristal développé par l’équipe chinoise offre désormais une solution concrète pour générer cette lumière ultraviolette extrême.

Cette avancée s’inscrit dans un contexte de compétition intense entre plusieurs équipes de recherche à travers le monde. Une dizaine de groupes en Chine, en Europe, au Japon et aux États-Unis travaillent sur différents concepts d’horloges nucléaires. En février dernier, une autre équipe chinoise annonçait la création du premier laser à onde continue de 148 nanomètres au monde, utilisant une technique de mélange à quatre ondes dans de la vapeur de cadmium.

Parallèlement, d’autres progrès significatifs ont été enregistrés :

• L’horloge à réseau optique au strontium de Chine contribue désormais au pilotage du Temps Atomique International
• Des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont développé un nouveau laser ultraviolet sous vide
• Une équipe de l’UCLA a démontré que l’électrodépôt de thorium sur de l’acier pourrait simplifier la fabrication des horloges

Perspectives et implications

La convergence de ces différentes avancées techniques laisse entrevoir la possibilité réelle de voir émerger des horloges nucléaires fonctionnelles dans un avenir proche. Ces instruments, longtemps restés au stade de concept théorique, pourraient révolutionner notre approche de la mesure du temps et de la navigation.

La précision accrue offerte par ces horloges permettrait non seulement des applications pratiques dans les domaines militaires et spatiaux, mais également des avancées scientifiques fondamentales. La capacité à mesurer le temps avec une exactitude sans précédent pourrait ouvrir de nouvelles perspectives dans la recherche en physique fondamentale, notamment pour tester les limites des théories actuelles.