Des décennies de préparation : le laser excite le noyau atomique dans une découverte révolutionnaire

Pour la première fois, les lasers ont réussi à exciter la « transition thorium », un processus poursuivi depuis longtemps par les chercheurs. Cette avancée ouvre la voie à des avancées révolutionnaires dans les technologies de haute précision, telles que les horloges nucléaires.

Les physiciens attendaient avec impatience cette avancée : les scientifiques du monde entier ont passé des années à rechercher un état spécifique des noyaux atomiques de thorium qui pourrait conduire à des avancées technologiques révolutionnaires.

Il pourrait par exemple être utilisé pour construire une horloge nucléaire capable de mesurer le temps avec plus de précision que les meilleures horloges atomiques disponibles aujourd’hui. Cela pourrait également être utilisé pour répondre à des questions fondamentales complètement nouvelles en physique – par exemple, la question de savoir si les constantes de la nature sont réellement constantes ou si elles changent dans l’espace et dans le temps.

Aujourd’hui, cet espoir s’est réalisé : la transition tant recherchée du thorium a été trouvée, son énergie est désormais connue avec précision. Pour la première fois, il a été possible d'utiliser un laser pour transférer un noyau atomique dans un état d'énergie supérieure et suivre ensuite avec précision son retour à son état d'origine. Cela permet de combiner deux domaines de la physique qui n’avaient jusqu’alors que peu de rapports l’un avec l’autre : la physique quantique classique et la physique nucléaire. Une condition préalable cruciale à ce succès était le développement de cristaux spéciaux contenant du thorium. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Thorsten Schumm de la TU Wien (Vienne) a publié ce succès avec une équipe de l'Institut national de métrologie de Braunschweig (PTB) dans la revue Lettres d'examen physique.

Changer d'état quantique

La manipulation d'atomes ou de molécules avec des lasers est aujourd'hui monnaie courante : si la longueur d'onde du laser est choisie exactement correctement, les atomes ou les molécules peuvent passer d'un état à un autre. De cette manière, les énergies des atomes ou des molécules peuvent être mesurées de manière très précise. De nombreuses techniques de mesure de précision s'appuient sur cela, comme les horloges atomiques actuelles, mais aussi les méthodes d'analyse chimique. Les lasers sont également souvent utilisés dans les ordinateurs quantiques pour stocker des informations dans des atomes ou des molécules.

Mais pendant longtemps, il a semblé impossible d’appliquer ces techniques aux noyaux atomiques. « Les noyaux atomiques peuvent également basculer entre différents états quantiques. Cependant, il faut généralement beaucoup plus d’énergie pour faire passer un noyau atomique d’un état à un autre – au moins mille fois l’énergie des électrons dans un atome. atome ou une molécule », explique Thorsten Schumm. « C’est pourquoi les noyaux atomiques ne peuvent normalement pas être manipulés avec des lasers. L’énergie des photons n’est tout simplement pas suffisante.

C’est regrettable, car les noyaux atomiques sont en réalité des objets quantiques parfaits pour des mesures de précision : ils sont beaucoup plus petits que les atomes et les molécules et sont donc beaucoup moins sensibles aux perturbations externes, telles que les champs électromagnétiques. En principe, ils permettraient donc des mesures avec une précision.

L'aiguille dans la botte de foin

Depuis les années 1970, des spéculations circulent selon lesquelles il pourrait exister un noyau atomique spécial qui, contrairement à d'autres noyaux, pourrait peut-être être manipulé avec un laser, à savoir le thorium 229. Ce noyau possède deux états énergétiques très proches – si proches qu’un laser devrait en principe suffire à modifier l’état du noyau atomique.

Cependant, pendant longtemps, l’existence de cette transition n’a été attestée qu’indirectement. « Le problème est qu'il faut connaître l'énergie de la transition de manière extrêmement précise pour pouvoir provoquer la transition avec un faisceau laser », explique Thorsten Schumm. « Connaître l'énergie de cette transition à l'électron-volt près n'est pas d'une grande utilité, si vous devez atteindre la bonne énergie avec une précision d'un millionième d'électron-volt pour détecter la transition. » C’est comme chercher une aiguille dans une botte de foin – ou essayer de trouver un petit coffre au trésor enfoui sur une île d’un kilomètre de long.

L'astuce du cristal de thorium

Certains groupes de recherche ont tenté d'étudier les noyaux de thorium en les maintenant individuellement en place dans des pièges électromagnétiques. Cependant, Thorsten Schumm et son équipe ont choisi une technique complètement différente. «Nous avons développé des cristaux dans lesquels un grand nombre d'atomes de thorium sont incorporés», explique Fabian Schaden, qui a développé les cristaux à Vienne et les a mesurés avec l'équipe du PTB. « Bien que cela soit techniquement assez complexe, cela présente l'avantage de pouvoir non seulement étudier les noyaux de thorium individuels de cette manière, mais également d'en frapper simultanément environ dix à la puissance dix-sept noyaux de thorium avec le laser – environ un million de fois plus qu'il n'y a d'étoiles. dans notre galaxie. Le grand nombre de noyaux de thorium amplifie l’effet, raccourcit le temps de mesure requis et augmente la probabilité de réellement trouver la transition énergétique.

Le 21 novembre 2023, l’équipe a finalement réussi : l’énergie correcte de la transition du thorium a été atteinte avec précision, les noyaux du thorium ont délivré pour la première fois un signal clair. Le faisceau laser avait en fait changé d'état. Après un examen et une évaluation minutieux des données, le résultat a été publié.

«Pour nous, c'est un rêve qui devient réalité», déclare Thorsten Schumm. Depuis 2009, Schumm concentrait entièrement ses recherches sur la recherche de la transition thorium. Son groupe ainsi que des équipes concurrentes du monde entier ont remporté à plusieurs reprises d'importants succès partiels ces dernières années. « Bien sûr, nous sommes ravis de pouvoir désormais présenter une avancée cruciale : la première excitation laser ciblée d'un noyau atomique », déclare Schumm.

Le rêve de l'horloge à noyau atomique

Cela marque le début d’une nouvelle ère de recherche passionnante : maintenant que l’équipe sait comment exciter l’état du thorium, cette technologie peut être utilisée pour des mesures de précision. « Dès le début, la construction d'une horloge atomique était un objectif important à long terme », explique Thorsten Schumm. « De la même manière qu'une horloge à pendule utilise le balancement du pendule comme minuterie, l'oscillation de la lumière qui excite la transition du thorium pourrait être utilisée comme minuterie pour un nouveau type d'horloge qui serait nettement plus précis que les meilleures horloges atomiques. disponible aujourd'hui. »

Mais ce n’est pas seulement le temps qui pourrait ainsi être mesuré de manière beaucoup plus précise qu’auparavant. Par exemple, le champ gravitationnel de la Terre pourrait être analysé avec une telle précision qu'il pourrait fournir des indications sur les ressources minérales ou les tremblements de terre. La méthode de mesure pourrait également être utilisée pour percer les mystères fondamentaux de la physique : les constantes de la nature sont-elles vraiment constantes ? Ou peut-être de minuscules changements peuvent-ils être mesurés au fil du temps ? « Notre méthode de mesure n'est qu'un début », déclare Thorsten Schumm. « Nous ne pouvons pas encore prédire quels résultats nous obtiendrons grâce à cela. Ce sera certainement très excitant.