Pour la première fois, les scientifiques ont utilisé un noyau atomique comme horloge.
Les montres les plus précises au monde sont fabriquées à partir d’atomes, en particulier de leurs électrons. Mais les horloges basées sur des noyaux atomiques – protons et neutrons – pourraient éventuellement les surpasser, tout en testant de nouvelles manières les lois fondamentales de la physique. Aujourd’hui, le rêve vieux de plusieurs décennies d’une horloge nucléaire s’est enfin réalisé, rapportent deux équipes indépendantes de chercheurs.
La technologie en est encore à ses débuts, mais la physique qui la sous-tend est si différente de celle des horloges atomiques qu'elle constitue déjà une avancée, rapportent les chercheurs dans un article soumis le 3 juin à arXiv.org. « Dans certains types de mesures, nous surpassons déjà toutes les horloges atomiques », déclare le physicien Thorsten Schumm de la TU Wien à Vienne.
Schumm et ses collègues ont utilisé l'horloge pour rechercher des preuves de la matière noire, la substance invisible et massive qui est censée imprégner l'univers. Aucun signe de substance louche ne s'est matérialisé, mais la sensibilité estimée de l'horloge à certains types de matière noire rivalisait ou dépassait celle des horloges atomiques.
« Il s'agit d'un résultat exceptionnel », déclare le physicien théoricien Victor Flambaum de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, qui n'a pas participé à la recherche. Et cet exploit devrait inciter à davantage de progrès : « Ce n’est que la première étape. [The] la course à la construction d’horloges nucléaires ultra-précises vient de commencer.
Le potentiel des horloges nucléaires à peser sur la matière noire et d’autres scénarios de physique exotiques explique pourquoi, dans cette branche de la physique, « les horloges nucléaires sont devenues l’une des frontières les plus activement recherchées », explique Shiqian Ding de l’Université Tsinghua de Pékin. Dans une étude soumise le 7 juin à arXiv.org, Ding et ses collègues décrivent leur horloge nucléaire, basée sur une technologie similaire à celle de Schumm et ses collègues. (Aucun des deux articles n’a été évalué par des pairs.)
En leur cœur, les deux horloges sont constituées de cristaux de fluorure de calcium imprégnés de thorium, qui sont sondés avec un laser. Les deux horloges ont montré des performances similaires. Ding et ses collègues ont utilisé un laser beaucoup plus puissant, mais Schumm et ses collègues avaient plus de thorium dans leur cristal.
Et le thorium est la clé : dans tout le tableau périodique, il n’existe qu’un seul type de noyau atomique qui peut être utilisé pour fabriquer une horloge : le thorium-229. C'est parce que le noyau doit bien s'intégrer à l'autre acteur majeur, le laser.
Dans les horloges atomiques et nucléaires, les ondes électromagnétiques ondulantes de la lumière d'un laser agissent comme le pendule oscillant d'une horloge grand-père. Si cette lumière laser n'était pas ancrée à quelque chose de stable, sa fréquence dériverait avec le temps, comme si le tic-tac de l'horloge grand-père ralentissait ou accélérait. Mais dans une horloge atomique ou nucléaire, la fréquence du laser est verrouillée sur un saut entre les niveaux d'énergie d'un atome ou d'un noyau particulier. Pour une horloge atomique, ce sont les électrons qui font le saut, et pour une horloge nucléaire, c'est le noyau. Le thorium-229 est spécial car c'est le seul noyau atomique doté d'un saut d'énergie de la bonne taille pour être sondé par un laser.
Pour verrouiller un laser sur un saut de niveau d'énergie, le laser doit être fréquemment réajusté, en utilisant le résultat des mesures pour déterminer comment augmenter sa fréquence. Dans les nouveaux travaux, les deux équipes ont réussi à mettre en œuvre cette boucle de rétroaction, une étape qui était absente des démonstrations précédentes qui ont jeté les bases d'une horloge nucléaire.
« C'était la dernière étape manquante avant de pouvoir parler d'une véritable horloge », explique le physicien Lars von der Wense, qui n'a pas participé à la recherche. Les horloges ne surpassaient pas encore les meilleures horloges atomiques en termes de capacité de chronométrage. Mais la technologie devrait progresser rapidement, avec des améliorations des lasers et des cristaux à l'horizon, explique von der Wense, de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne.
L'arrivée des horloges nucléaires était très attendue. Comparées aux horloges atomiques, les horloges nucléaires sont moins sensibles aux champs électromagnétiques parasites et peuvent être fabriquées à partir de matériaux solides, tandis que les horloges atomiques exigent que les atomes soient suspendus dans une chambre à vide encombrante. Cela suggère des possibilités de fabrication d’horloges ultraprécises plus portables et plus robustes.
De plus, les noyaux atomiques sont soumis à des forces différentes de celles des électrons, ce qui ouvre de nouvelles voies d'étude. Les protons et les neutrons sont maintenus ensemble par la forte force nucléaire, tandis que les électrons sont principalement soumis aux forces électromagnétiques. Des nombres appelés constantes fondamentales déterminent la force relative de ces forces, et des comparaisons entre une horloge atomique et une horloge nucléaire pourraient être utilisées pour rechercher les variations de ces nombres au fil du temps. Ces variations pourraient être dues à la matière noire ultralégère – le sujet des recherches de Schumm et de ses collègues.
Il a fallu beaucoup de temps pour que les scientifiques aient eu l'idée d'une horloge nucléaire au thorium en 2003. Mais « j'ai toujours été optimiste quant au succès de ce projet », déclare le physicien Ekkehard Peik de l'Institut national de métrologie de Braunschweig, en Allemagne. Peik est l'un des scientifiques qui ont proposé l'idée et co-auteur avec Schumm du nouvel article.
Après des progrès initialement lents, les chercheurs ont réalisé des progrès rapides ces dernières années. Aujourd’hui, dit Peik, « je suis certain que cet élan va se poursuivre et que de nombreuses recherches intéressantes… ne font que commencer. »