Une vieille astuce de bijoutier pourrait débloquer les horloges nucléaires de nouvelle génération

L’année dernière, une équipe dirigée par UCLA a accompli quelque chose que les scientifiques tentaient de faire depuis 50 ans. Ils ont fait absorber et émettre des photons par des noyaux radioactifs de thorium, comme le font les électrons dans un atome. Cette réalisation concrétisait un rêve qu’ils avaient proposé pour la première fois en 2008 et devrait inaugurer une nouvelle ère de mesure du temps de haute précision, avec un impact dramatique sur la navigation. Elle pourrait aussi conduire à de nouvelles découvertes scientifiques qui réécriraient certaines des constantes fondamentales de la nature. 

Mais il y a un hic. L’isotope de thorium dont ils ont besoin, le thorium-229, ne se trouve que dans l’uranium de qualité militaire. On estime ainsi qu’il n’y a actuellement qu’environ 40 grammes disponibles dans le monde pour une utilisation dans les horloges nucléaires. 

Désormais, cependant, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le physicien Eric Hudson de UCLA a trouvé un moyen d’utiliser seulement une fraction du thorium pour obtenir les mêmes résultats que leurs travaux antérieurs avec des cristaux spécialisés. La méthode développée par l’équipe, et décrite dans Nature, est si simple et peu coûteuse qu’elle pourrait ouvrir la voie à la fabrication d’horloges nucléaires si économiques et petites qu’elles pourraient un jour se trouver dans nos téléphones ou même nos montres-bracelets, en plus de remplacer les horloges de nos réseaux électriques, antennes de téléphonie mobile et satellites GPS. Elles pourraient également être utilisées pour la navigation dans des environnements sans GPS, comme l’espace profond ou les sous-marins.

Un procédé simple améliore ce qui a initialement pris 15 ans à être compris

Le groupe de Hudson a passé 15 ans à travailler pour réaliser les cristaux de fluorure dopés au thorium spécialisés qui ont permis leur percée l’année dernière. En provoquant la liaison des électrons des atomes de thorium-229 avec du fluor dans un arrangement spécial, l’équipe de Hudson, dans ses expériences initiales, a pu créer des cristaux qui stabilisent le thorium-229 tout en restant transparents à la lumière laser nécessaire pour exciter le noyau. Ils ont constaté que les cristaux, cependant, étaient difficiles à faire croître et nécessitaient beaucoup de thorium.

« Nous avons fait tout le travail de fabrication des cristaux parce que nous pensions que le cristal devait être transparent pour que la lumière laser atteigne les noyaux de thorium. Les cristaux sont vraiment difficiles à fabriquer. Cela prend une éternité et la plus petite quantité de thorium que nous pouvons utiliser est de 1 milligramme, ce qui est beaucoup quand il n’y a qu’environ 40 grammes disponibles », explique le premier auteur et chercheur postdoctoral de UCLA, Ricky Elwell, qui a reçu le prix Deborah Jin 2025 pour une thèse de doctorat exceptionnelle en physique atomique, moléculaire ou optique pour la percée de l’année dernière.

Dans les nouveaux travaux, le groupe de Hudson a électrodéposé une quantité infime de thorium sur de l’acier inoxydable en modifiant légèrement une méthode utilisée pour l’électrodéposition de bijoux. L’électrodéposition, inventée au début des années 1800, envoie un courant électrique à travers une solution conductrice pour déposer une fine couche d’atomes d’un métal sur un autre. En bijouterie, par exemple, l’argent ou l’or est électrodéposé sur une base en métal moins précieux.

« Il nous a fallu cinq ans pour comprendre comment faire croître les cristaux de fluorure et maintenant nous avons compris comment obtenir les mêmes résultats avec l’une des plus anciennes techniques industrielles et en utilisant 1 000 fois moins de thorium. De plus, le produit fini est essentiellement un petit morceau d’acier et bien plus résistant que les cristaux fragiles », déclare Hudson.

La clé pour faire fonctionner ce nouveau système a été la réalisation qu’une hypothèse fondamentale était erronée. Stimuler suffisamment le noyau avec un laser, ou l’exciter, pour observer sa transition vers un état d’énergie plus élevé, était plus facile que quiconque ne le pensait.

« Tout le monde avait toujours supposé que pour exciter puis observer la transition nucléaire, le thorium devait être intégré dans un matériau transparent à la lumière utilisée pour exciter le noyau. Dans ce travail, nous avons montré que ce n’est tout simplement pas vrai », révèle Hudson. « Nous pouvons toujours forcer suffisamment de lumière dans ces matériaux opaques pour exciter les noyaux près de la surface, et ensuite, au lieu d’émettre des photons comme ils le font dans un matériau transparent tel que les cristaux, ils émettent des électrons qui peuvent être détectés simplement en surveillant un courant électrique — ce qui est à peu près la chose la plus facile à faire en laboratoire ! »

Les horloges nucléaires au thorium pourraient débloquer la navigation sans satellite 

En plus de leur impact attendu sur tout, de la technologie des communications à la synchronisation des réseaux électriques et aux réseaux radar, les horloges de nouvelle génération sont depuis longtemps recherchées comme solution à un problème ayant un impact significatif sur la sécurité nationale : naviguer sans GPS. Si un acteur malveillant — ou même une tempête électromagnétique — désactivait suffisamment de satellites, tous nos appareils de navigation GPS tomberaient en panne. De même, les sous-marins qui plongent profondément dans l’océan, où les signaux satellites ne peuvent pas atteindre, utilisent déjà des horloges atomiques pour la navigation, mais les horloges actuelles ne sont pas assez précises et après quelques semaines, les sous-marins doivent faire surface pour vérifier leur position. Dans ces environnements exigeants, l’horloge nucléaire, mieux protégée de son environnement, surpasse les horloges atomiques actuelles. 

« L’approche de l’équipe de UCLA pourrait aider à réduire le coût et la complexité des futures horloges nucléaires au thorium », explique Makan Mohageg, responsable des horloges optiques chez Boeing Technology Innovation. « Des innovations comme celles-ci pourraient contribuer à une mesure du temps plus compacte et à haute stabilité, pertinente pour plusieurs applications aérospatiales. » 

Et, si les Terriens veulent un jour voyager dans l’espace, nous avons besoin d’horloges encore plus améliorées pour la même raison.

« Le groupe de UCLA dirigé par Eric Hudson a fait un travail incroyable pour dégager une voie viable pour sonder la transition nucléaire dans le thorium — un travail s’étendant sur plus d’une décennie. Ce travail ouvre la voie à une horloge au thorium viable », argumente Eric Burt, qui dirige le projet d’horloge atomique haute performance au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et n’a pas participé à la recherche. « À mon avis, les horloges nucléaires au thorium pourraient aussi révolutionner les mesures de physique fondamentale qui peuvent être réalisées avec des horloges, comme les tests de la théorie de la relativité d’Einstein. En raison de leur faible sensibilité inhérente aux perturbations environnementales, les futures horloges au thorium pourraient également être utiles pour établir une échelle de temps à l’échelle du système solaire, essentielle pour établir une présence humaine permanente sur d’autres planètes. » 

Article : « Laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy of 229ThO2 » – DOI : 10.1038/s41586-025-09776-4

Source : UCLA