Une représentation artistique de l’horloge nucléaire au scandium : des scientifiques ont utilisé les impulsions de rayons X du XFEL européen pour exciter dans le noyau atomique du scandium le type de processus capables de générer un signal d’horloge – avec une précision sans précédent d’une seconde en 300 milliards d’années. . Crédit : Institut européen XFEL/Helmholtz Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
Le laser à rayons X montre une voie possible vers une mesure du temps de précision considérablement accrue.
Une équipe de recherche internationale a franchi une étape décisive vers une nouvelle génération d’horloges atomiques. Au laser à rayons X européen XFEL, les chercheurs ont créé un générateur d’impulsions beaucoup plus précis basé sur l’élément scandium, qui permet un précision d’une seconde en 300 milliards d’années – soit environ mille fois plus précis que l’horloge atomique standard actuelle basée sur le césium. L’équipe a présenté son succès le 27 septembre dans la revue Nature.
Mécanisme actuel de l’horloge atomique
Les horloges atomiques sont actuellement les chronomètres les plus précis au monde. Ces horloges ont utilisé les électrons de la coque atomique des éléments chimiques, comme le césium, comme générateur d’impulsions afin de définir l’heure. Ces électrons peuvent être élevés à un niveau d’énergie plus élevé avec des micro-ondes d’une fréquence connue. Ce faisant, ils absorbent le rayonnement des micro-ondes.
Une horloge atomique projette des micro-ondes sur les atomes de césium et régule la fréquence du rayonnement de telle sorte que l’absorption des micro-ondes soit maximisée ; les experts appellent cela une résonance. L’oscillateur à quartz qui génère les micro-ondes peut être maintenu si stable grâce à la résonance que les horloges au césium seront précises à une seconde près d’ici 300 millions d’années.
Défis et solutions
La largeur de résonance utilisée est cruciale pour la précision d’une horloge atomique. Les horloges atomiques au césium actuelles utilisent déjà une résonance très étroite ; les horloges atomiques au strontium atteignent une précision plus élevée avec seulement une seconde en 15 milliards d’années. Une amélioration supplémentaire est pratiquement impossible à réaliser avec cette méthode d’excitation électronique. Ainsi, des équipes du monde entier travaillent depuis plusieurs années sur le concept d’horloge « nucléaire », qui utilise les transitions dans le noyau atomique comme générateur d’impulsions plutôt que dans la coque atomique. Les résonances nucléaires sont beaucoup plus aiguës que les résonances des électrons dans la coque atomique, mais aussi beaucoup plus difficiles à exciter.
Percée avec Scandium
Au XFEL européen, l’équipe pourrait désormais découvrir une transition prometteuse dans le noyau de l’élément scandium, qui est facilement disponible sous forme de feuille métallique de haute pureté ou sous forme de composé dioxyde de scandium. Cette résonance nécessite des rayons X d’une énergie de 12,4 kiloélectronvolts. (keV, qui représente environ 10 000 fois l’énergie de la lumière visible) et a une largeur de seulement 1,4 femtoélectronvolts (feV). Cela représente 1,4 quadrillionièmes d’électronvolt, ce qui ne représente qu’environ un dixième de billionième de l’énergie d’excitation (10-19). Cela permet une précision de 1:10 000 000 000 000.
« Cela correspond à une seconde en 300 milliards d’années », dit DESY chercheur Ralf Röhlsberger, qui travaille à l’Institut Helmholtz de Jena, une installation commune du Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds, du Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de DESY.
Applications et potentiel futur
Les horloges atomiques ont de nombreuses applications qui bénéficient d’une précision améliorée, comme un positionnement précis grâce à la navigation par satellite. «Le potentiel scientifique de la résonance du scandium a été identifié il y a plus de 30 ans», rapporte le chef de projet de l’expérience, Yuri Shvyd’ko du Laboratoire national d’Argonne aux États-Unis.
« Jusqu’à présent, cependant, aucune source de rayons X n’était disponible qui brillait suffisamment dans la raie étroite de 1,4 feV du scandium », explique Anders Madsen, scientifique principal à la station expérimentale MID du XFEL européen, où l’expérience a eu lieu. « Cela n’a changé qu’avec les lasers à rayons X comme le XFEL européen. »
Dans cette expérience révolutionnaire, l’équipe a irradié une feuille de scandium de 0,025 millimètre d’épaisseur avec une lumière laser à rayons X et a pu détecter une rémanence caractéristique émise par les noyaux atomiques excités, ce qui constitue une preuve claire de la ligne de résonance extrêmement étroite du scandium.
La connaissance exacte de l’énergie de résonance, c’est-à-dire de l’énergie du rayonnement laser à rayons X à laquelle se produit la résonance, est également importante pour la construction d’horloges atomiques. Une suppression sophistiquée du bruit extrême et une optique à cristal haute résolution ont permis de déterminer la valeur de l’énergie de résonance du scandium dans les expériences à cinq chiffres près de la virgule décimale à 12,38959 keV, ce qui est 250 fois plus précis qu’auparavant.
« La détermination précise de l’énergie de transition marque un progrès significatif », souligne le responsable de l’analyse des données, Jörg Evers, de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg. « La connaissance exacte de cette énergie est d’une importance capitale pour la réalisation d’une horloge atomique basée sur le scandium. »
Les chercheurs explorent actuellement d’autres étapes vers la réalisation d’une telle horloge nucléaire atomique.
« La percée dans l’excitation résonante du scandium et la mesure précise de son énergie ouvrent de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires, mais également pour la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux », explique Shvyd’ko.
Olga Kocharovskaya de la Texas A&M University aux États-Unis, initiatrice et responsable du projet financé par la National Science Foundation, ajoute : « Par exemple, une telle précision pourrait permettre de sonder la dilatation gravitationnelle du temps à des distances inférieures au millimètre. Cela permettrait d’étudier les effets relativistes sur des échelles de longueur qui étaient inaccessibles jusqu’à présent. »
Les travaux ont impliqué des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne aux États-Unis, de l’Institut Helmholtz de Jena, de l’Université Friedrich Schiller de Jena, de la Texas A&M University aux États-Unis, de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, de la source polonaise de rayonnement synchrotron SOLARIS à Cracovie, de l’Institut européen de physique nucléaire. XFEL et DESY.
