L'équipe de Vienne construit la première horloge nucléaire auto-stabilisatrice au monde

Des scientifiques à Vienne ont construit la première horloge nucléaire auto-stabilisatrice au monde, un dispositif qui utilise les noyaux des atomes de thorium pour mesurer le temps. Contrairement aux prototypes précédents qui s'appuyaient sur des horloges atomiques conventionnelles pour leur stabilité, ce nouveau système maintient sa propre précision grâce à une boucle de rétroaction automatique. Cette réalisation, publiée dans la revue Nature, marque une étape importante dans le domaine de la métrologie de précision, bien que l'horloge ne surpasse pas encore les performances des meilleures horloges atomiques optiques au monde.

Comment fonctionne l'horloge nucléaire

Les horloges atomiques traditionnelles mesurent le temps en suivant les transitions énergétiques dans les couches électroniques des atomes. Ces électrons sont sensibles aux perturbations externes, telles que les changements de température ou les collisions, qui peuvent perturber le rythme de l'horloge. L'équipe de Vienne, dirigée par le Prof. Thorsten Schumm à l'Université technique de Vienne (TU Wien) et le Prof. Ekkehard Peik au PTB de Brunswick, a plutôt utilisé le noyau de l'isotope thorium-229.

Les noyaux atomiques sont plus de 10 000 fois plus petits que les atomes, ce qui les rend beaucoup moins sensibles aux interférences environnementales. Le thorium-229 est unique car deux de ses états énergétiques nucléaires sont séparés par une différence d'énergie inhabituellement faible. Cela permet aux chercheurs de déclencher une transition entre ces états à l'aide d'un laser, une prouesse qui a été démontrée expérimentalement pour la première fois en avril 2024.

La nouvelle horloge fonctionne en dirigeant un laser sur un cristal contenant des atomes de thorium. La fréquence du laser est ajustée pour correspondre à la résonance spécifique des noyaux de thorium. Si la fréquence du laser dérive en raison de facteurs environnementaux, la quantité de lumière absorbée par les noyaux diminue. Le système détecte ce changement et ajuste automatiquement le laser vers la fréquence correcte. « Ce que vous voulez vraiment, c'est une horloge nucléaire auto-stabilisatrice », a déclaré le Prof. Thorsten Schumm. « L'idée de base est simple : vous avez un laser et vous avez du thorium. Le laser modifie l'état énergétique des noyaux de thorium, et les noyaux de thorium sont utilisés pour stabiliser la fréquence du laser. »

Performances et précision

Les chercheurs ont démontré que l'horloge pouvait fonctionner de manière stable pendant plus de 24 heures sans intervention externe. Pendant cette période, l'appareil a atteint une précision relative d'environ 10 puissance moins 15. Ce niveau de précision équivaut à une erreur d'environ une seconde sur 30 millions d'années.

Bien qu'il s'agisse d'un résultat remarquable pour un premier prototype, l'horloge n'est pas encore aussi précise que les meilleures horloges atomiques optiques actuellement en service. « Ce n'est pas encore au niveau des meilleures horloges atomiques optiques au monde, mais pour un premier prototype, c'est un résultat fantastique », a déclaré Schumm. L'équipe a identifié que la reproductibilité de la fréquence était limitée à environ 5 × 10⁻¹³ entre différentes séries d'expériences, probablement en raison de contraintes locales dans la structure du cristal. Des améliorations futures de la puissance du laser et de la qualité du cristal devraient renforcer la stabilité.

Implications pour la science et la technologie

Le développement d'une horloge nucléaire auto-stabilisatrice a des implications au-delà de la simple mesure du temps. Une mesure du temps plus précise peut améliorer la précision d'autres grandeurs physiques, offrant aux scientifiques de nouveaux outils pour étudier les lois fondamentales de la nature. La technologie pourrait également soutenir des applications dans la navigation par satellite, les télécommunications et les systèmes financiers, qui dépendent d'une synchronisation précise.

De plus, l'horloge fournit une nouvelle méthode pour tester des hypothèses en physique fondamentale. Dans une étude complémentaire, les chercheurs ont utilisé l'horloge pour rechercher des effets prédits par des modèles de matière noire ultra-légère. Bien qu'aucun signal significatif n'ait été détecté, l'expérience a établi des limites supérieures aux interactions possibles, démontrant le potentiel de l'horloge en tant que détecteur sensible pour des phénomènes physiques inconnus.

Pourquoi c'est important

Cette percée valide un concept de physique vieux de plusieurs décennies : les noyaux atomiques peuvent servir de références stables pour la mesure du temps. En découplant la stabilité de l'horloge des horloges atomiques externes, l'équipe de Vienne a créé un système autonome plus robuste face au bruit environnemental. À mesure que la technologie mûrit, les horloges nucléaires pourraient éventuellement redéfinir la norme de mesure du temps, offrant une précision sans précédent pour la recherche scientifique et les infrastructures mondiales.

Sources (en anglais)

• sciencedaily.com: Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete | ScienceDaily
• thebrighterside.news: Scientists demonstrate sustained operation of the world's first self-regulating nuclear clock - The Brighter Side of News
• thenakedscientists.com: World’s first stand-alone nuclear clock | Interviews
• voi.id: Chinese Scientists Develop Nuclear Clock, Time Accuracy Potentially Overtakes Atomic Clock
• chitraltoday.net: Scientists Develop First Nuclear Clocks - Chitral Today
• timesofindia.indiatimes.com: For decades, scientists used Atomic clocks but world’s first stand-alone nuclear clock may change we measure almost everything - The Times of India

Traduction réalisée par IA de l’article original en anglais, vérifiée automatiquement pour dire la même chose que l’original. Les sources ont été vérifiées en anglais.