Les horloges optiques sont des dispositifs de chronométrage très précis qui mesurent le temps en suivant les oscillations de la lumière, par opposition aux micro-ondes, comme les horloges atomiques conventionnelles. La précision de ces horloges dépend fortement de la capacité d'identifier des transitions atomiques dits étroites, qui sont essentiellement des changements dans l'état énergétique des électrons dans un ion ou un atome.
Des chercheurs de l'Université du Delaware, Physikalisch-Technische Bundesanstalt et le Max Planck Institute for Nuclear Physics tentent de réaliser des horloges optiques de plus en plus précises basées sur des ions hautement chargés.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueils introduisent des calculs basés sur la théorie et une approche de calcul qui pourrait ouvrir la voie au développement d'une horloge optique ultra-stable basée sur Ni12+un atome de nickel qui manque 12 électrons.
« Le but de notre expérience était de mener une spectroscopie à haute précision sur des ions très chargés », a déclaré à Issues.fr Malte Wehrheim et Piet O. Schmidt, co-auteurs du journal.
« Nous avons décidé de travailler avec NI12+ Parce qu'il présente une transition très fortement interdite, parfaitement adaptée au fonctionnement comme horloge optique. Cependant, parce que la transition est si fortement interdite, les premières estimations ont fait allusion à une durée de recherche d'un an pour scanner la plage d'incertitude 1 sigma autour de l'énergie de transition précédemment disponible en utilisant une technique de recherche simple. «
L'étude de Wehrheim, Schmidt et leurs collègues a été enracinée dans le travail étendu des physiciens théoriques, qui ont effectué des calculs plus précis des changements d'énergie associés à une transition étroite entre deux états quantiques d'électrons en Ni12+. Les résultats de ces calculs ont servi de point de départ aux efforts expérimentaux ultérieurs de l'équipe.
« Nous avons ensuite pu identifier la transition en seulement quelques heures, même si sa largeur naturelle n'est encore que moins d'un milliard de plages d'incertitude », a déclaré Wehrheim.
« Le grand accord de la résonance mesurée avec leur nouvelle façon de calculer la fréquence de transition avec une précision sans précédent est le principal résultat de l'étude. Nous nous sommes fortement appuyés sur une bonne estimation théorique pour connaître grossièrement la position de ce qui correspond essentiellement à une aiguille dans une botte de foin. »
Pour optimiser leur expérience, les chercheurs ont utilisé un laser Ti: SA (Titane: Sapphire). Ce laser à l'état solide peut générer de la lumière sur une très grande plage de fréquences, au lieu de produire de la lumière avec une longueur d'onde fixe comme de nombreux autres lasers existants.
« Nous pourrions exclure des parties plus grandes de la botte de foin à la fois en balayant une large gamme de fréquences avant de détecter une excitation sur la transition d'horloge en utilisant une transition d'assistance dans NI12+« a expliqué Wehrheim.
« Cette transition d'assistance a indiqué si le NI12+ était toujours dans son état fondamental, ou si notre transition était dans la partie numérisée de la botte de foin. Ensuite, nous avons mené une approche de division et de conquête pour réduire la taille du morceau pour enfin identifier la position de notre aiguille. «
Le fonctionnement des horloges optiques est activé par une résonance atomique très étroite, ou en d'autres termes, une transition très stable dans les atomes ou les ions sur lesquels ils sont basés. Les chercheurs ont pu identifier cette résonance atomique étroite en Ni12+qui met en évidence le potentiel de cet ion particulier pour le développement futur des horloges atomiques.
« Nous prévoyons bientôt de mener une spectroscopie de haute précision et de construire une horloge atomique basée sur Ni12+», A déclaré les auteurs. » L'espoir est que cette horloge surpassera d'autres horloges parce que les propriétés électroniques extrêmes de l'ion très chargé le rendent insensible aux perturbations externes et permettent des mesures plus précises. «
Ce travail pourrait avoir des implications importantes à la fois pour le développement d'horloges optiques et pour l'étude de systèmes atomiques complexes. À l'avenir, l'approche qu'ils employaient pourraient également être utilisées pour localiser avec précision les énergies de transition d'autres ions hautement chargés en peu de temps.
« Nos collaborateurs théoriques montrent une voie pour calculer les énergies de transition avec une précision sans précédent pour un tel système multi-électrons », a déclaré Schmidt. « Cette approche peut également être appliquée à d'autres systèmes. Nous avons pu valider la précision des calculs expérimentalement et démontré que l'identification de transitions étroites est possible dans les grandes gammes d'incertitude. »
Cette étude récente pourrait bientôt contribuer à l'avancement des systèmes de métrologie basés sur des ions hautement chargés. Cela pourrait à son tour aider à tester les théories de la physique fondamentale, tout en conduisant potentiellement à la détection de nouveaux phénomènes.
« Un objectif principal de nos travaux futurs sera d'utiliser notre système pour rechercher la matière noire qui devrait avoir un couplage plus fort à certaines transitions dans des ions très chargés par rapport aux espèces étudiées précédemment », a ajouté Schmidt.
« Ni12+ sert de excellent banc d'essai pour nos futures expériences et nous permet de contribuer à l'amélioration des horloges optiques. «
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
