La précision temporelle, pierre angulaire de nombreuses technologies modernes, repose sur l’exactitude des horloges atomiques. Cependant, une nouvelle approche pourrait bouleverser les fondements mêmes de notre compréhension du temps et de la gravité. Les physiciens de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont franchi une étape significative en manipulant le noyau d’un atome de thorium-229, ouvrant la possibilité de développer des horloges nucléaires d’une précision inégalée.
Cet été, des physiciens de l’UCLA ont démontré qu’il était possible d’inciter le noyau d’un atome de thorium-229, intégré dans un cristal transparent, à absorber et émettre des photons, une technique similaire à celle utilisée pour les électrons. Ce succès met fin à des décennies de spéculations sur la faisabilité d’une telle manipulation. Exiter l’état énergétique d’un noyau atomique à l’aide d’un laser permettrait le développement des horloges atomiques les plus précises jamais conçues, offrant ainsi des mesures du temps et de la gravité d’une précision sans précédent. De telles horloges pourraient même réécrire certaines lois fondamentales de la physique.
Un défi à surmonter : la rareté et la radioactivité
Néanmoins, il existe un obstacle notable : les cristaux dopés au thorium-229 sont rares et radioactifs. Cependant, dans une publication récente dans la revue Nature, une équipe de chimistes et de physiciens de l’UCLA a peut-être résolu ce problème en développant des films minces à partir d’un précurseur de thorium-229. Ces films exigent beaucoup moins de thorium-229 et sont aussi radioactifs qu’une banane. Ils ont montré que ces films pouvaient induire la même excitation nucléaire nécessaire pour une horloge nucléaire. Leur production pourrait être augmentée non seulement pour les horloges nucléaires, mais aussi pour d’autres applications en optique quantique.
Au lieu d’incorporer un atome de thorium pur dans un cristal à base de fluor, la méthode nouvelle utilise un matériau parent nitraté de thorium-229 dissous dans de l’eau ultra-pure, puis déposé dans un creuset. L’ajout de fluorure d’hydrogène produit quelques microgrammes de précipité de thorium-229, qui sont ensuite séparés de l’eau et chauffés jusqu’à évaporation, se condensant de manière non uniforme sur des surfaces de saphir et de fluorure de magnésium transparentes. La lumière d’un système laser à ultraviolet sous vide était dirigée vers ces cibles, excitant l’état nucléaire comme l’ont rapporté des recherches antérieures de l’UCLA, et les photons émis par le noyau ont été recueillis.
« Un avantage clé de l’utilisation d’un matériau parent — le fluorure de thorium — est que tous les noyaux de thorium se trouvent dans les mêmes environnements atomiques locaux et subissent le même champ électrique aux noyaux », a déclaré Anastassia Alexandrova, co-auteure et professeure de chimie et de biochimie, ainsi que de science et ingénierie des matériaux à l’UCLA. « Cela fait que tous les thoriums présentent les mêmes énergies d’excitation, ce qui contribue à la stabilité et à la précision de l’horloge. De cette manière, le matériau est unique. »
Oscillateurs et précision : le mécanisme des horloges nucléaires
À la base de chaque horloge se trouve un oscillateur. Le temps est défini par le nombre d’oscillations de cet oscillateur. Dans une horloge à balancier, une seconde correspond au temps nécessaire pour qu’un pendule effectue un aller-retour; dans un oscillateur à quartz pour montre-bracelet, c’est environ 32,000 vibrations du cristal. Pour une horloge nucléaire au thorium, une seconde équivaut à environ 2,020,407,300,000,000 cycles d’excitation et de relaxation du noyau. Ce taux de tic-tac plus élevé peut rendre l’horloge plus précise, à condition que ce taux soit stable; sinon, l’horloge risque de mesurer le temps de manière incorrecte.
Les films minces décrits dans cette recherche offrent un environnement stable pour le noyau, facile à construire et potentiellement adaptable pour produire des dispositifs micro-fabriqués. Cela pourrait permettre une utilisation généralisée des horloges nucléaires, les rendant moins coûteuses et plus simples à fabriquer.
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Les horloges atomiques actuelles, basées sur les électrons, nécessitent des installations de la taille d’une pièce avec des chambres à vide pour piéger les atomes et des équipements pour le refroidissement. Une horloge nucléaire basée sur le thorium serait beaucoup plus petite, robuste, portable et précise. Au-delà des applications commerciales, cette nouvelle spectroscopie nucléaire pourrait révéler certains des plus grands mystères de l’univers.
La mesure précise d’un noyau atomique ouvre une nouvelle voie pour comprendre ses propriétés et ses interactions avec l’énergie et l’environnement. Cela permettrait aux scientifiques de tester certaines de leurs idées les plus fondamentales sur la matière, l’énergie et les lois de l’espace-temps.
Légende illustration : Le cercle violet plus foncé au milieu est une cible de film mince de thorium. Crédit : Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado
Article : « 229ThF4 thin films for solid-state nuclear clocks » – DOI: s41586-024-08256-5
Source : UCLA
