Une horloge d’une précision d’une seconde en 300 milliards d’années

Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape décisive vers une nouvelle génération d’horloges atomiques, en créant un générateur d’impulsions bien plus précis basé sur l’élément scandium. Cette avancée permettrait une précision d’une seconde en 300 milliards d’années, soit environ mille fois plus précise que l’horloge atomique standard actuelle à base de césium.

Les horloges atomiques actuelles

Les horloges atomiques sont actuellement les gardiennes du temps les plus précises au monde. Elles utilisent des électrons dans la coquille atomique d’éléments chimiques, tels que le césium, comme générateur d’impulsions pour définir le temps. Ces électrons peuvent être élevés à un niveau d’énergie supérieur grâce à des micro-ondes d’une fréquence connue. Au cours de ce processus, ils absorbent le rayonnement micro-onde.

Une horloge atomique émet des micro-ondes sur des atomes de césium et régule la fréquence du rayonnement de manière à maximiser l’absorption des micro-ondes, un phénomène que les experts appellent résonance. Grâce à la résonance, les horloges au césium peuvent maintenir une précision d’une seconde en 300 millions d’années.

Le concept d’horloge nucléaire

La précision d’une horloge atomique dépend de la largeur de la résonance utilisée. Les horloges atomiques actuelles au césium utilisent déjà une résonance très étroite, tandis que les horloges au strontium atteignent une précision d’une seconde en 15 milliards d’années. Il est pratiquement impossible d’améliorer davantage cette précision avec la méthode actuelle d’excitation des électrons.

C’est pourquoi des équipes du monde entier travaillent depuis plusieurs années sur le concept d’une horloge «nucléaire», qui utilise des transitions dans le noyau atomique comme générateur d’impulsions plutôt que dans la coquille atomique. Les résonances nucléaires sont beaucoup plus aiguës que les résonances des électrons dans la coquille atomique, mais aussi beaucoup plus difficiles à exciter.

L’expérience au laser à rayons X européen XFEL

Au laser à rayons X européen XFEL, l’équipe de chercheurs a réussi à exciter une transition prometteuse dans le noyau de l’élément scandium, qui est facilement disponible sous forme de feuille métallique de haute pureté ou de dioxyde de scandium.

Cette résonance nécessite des rayons X d’une énergie de 12,4 kiloélectronvolts (keV) et a une largeur de seulement 1,4 femtoélectronvolt (feV). Cela permet une précision de 1:10 000 000 000 000.

«Cela correspond à une seconde en 300 milliards d’années», explique Ralf Röhlsberger, chercheur au DESY et membre de l‘Institut Helmholtz de Iéna.

Applications et perspectives

Les horloges atomiques ont de nombreuses applications qui bénéficient d’une précision accrue, comme la localisation précise par satellite.

«Le potentiel scientifique de la résonance du scandium a été identifié il y a plus de 30 ans», rapporte Yuri Shvyd’ko, chef de projet de l’expérience et chercheur au Laboratoire national d’Argonne aux États-Unis.

Les chercheurs explorent désormais les étapes suivantes pour réaliser une horloge atomique nucléaire basée sur le scandium.

«La percée dans l’excitation résonante du scandium et la mesure précise de son énergie ouvre de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires, mais aussi pour la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux», explique encore Shvyd’ko.

En synthèse

Les chercheurs ont franchi une étape importante vers la réalisation d’une nouvelle génération d’horloges atomiques en créant un générateur d’impulsions basé sur l’élément scandium, permettant une précision d’une seconde en 300 milliards d’années. Cette avancée pourrait avoir des applications dans la localisation précise par satellite et la mesure de phénomènes physiques fondamentaux. Les travaux se poursuivent pour concrétiser cette horloge atomique nucléaire révolutionnaire.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?

Une horloge atomique est un dispositif de mesure du temps basé sur les transitions électroniques dans les atomes d’éléments chimiques, tels que le césium. Ces horloges sont actuellement les gardiennes du temps les plus précises au monde.

2. Comment fonctionne une horloge atomique ?

Les horloges atomiques utilisent des électrons dans la coquille atomique d’éléments chimiques pour générer des impulsions et définir le temps. Les électrons sont élevés à un niveau d’énergie supérieur grâce à des micro-ondes d’une fréquence connue, absorbant ainsi le rayonnement micro-onde.

3. Qu’est-ce qu’une horloge nucléaire ?

Une horloge nucléaire est un concept en développement qui utilise des transitions dans le noyau atomique comme générateur d’impulsions plutôt que dans la coquille atomique. Les résonances nucléaires sont beaucoup plus aiguës que les résonances des électrons dans la coquille atomique, mais aussi beaucoup plus difficiles à exciter.

4. Quelle est la précision de l’horloge atomique basée sur le scandium ?

La précision de l’horloge atomique basée sur le scandium est d’une seconde en 300 milliards d’années, soit environ mille fois plus précise que l’horloge atomique standard actuelle à base de césium.

5. Quelles sont les applications potentielles des horloges atomiques de nouvelle génération ?

Les horloges atomiques de nouvelle génération pourraient avoir des applications dans la localisation précise par satellite, la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux.

Article : Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer ⁴⁵Sc; Yuri Shvyd’ko, Ralf Röhlsberger, Olga Kocharovskaya, et al.; Nature, 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-06491-w