Une équipe de recherche internationale fait progresser le chronométrage de précision en développant une horloge nucléaire utilisant des isotopes du thorium et des méthodes laser innovantes, transformant potentiellement notre compréhension des constantes physiques et de la matière noire. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle façon de mesurer le temps, plus précise, est l'objectif d'un projet de recherche international auquel participe la physicienne de Würzburg Adriana Pálffy-Buß. Les résultats pourraient également aider à la recherche de matière noire.
Le système de navigation mondial GPS, trafic de données numériques sur le réseau téléphonique, mesure de la Terre à partir de satellites : toutes ces technologies ne fonctionneraient pas sans des chronomètres précis. Ici, quelques milliardièmes de seconde sont cruciaux pour que les résultats soient corrects. La science – en particulier la physique – dépend également d’horloges extrêmement précises si elle veut savoir, par exemple, de quoi est constituée la matière noire ou si les constantes naturelles sont réellement constantes.
Une base fondamentalement nouvelle pour un garde-temps d'une telle précision est au centre d'un projet de recherche international qui a maintenant été approuvé. Fin 2023, le Fonds scientifique autrichien FWF a créé à cet effet un « domaine de recherche spécial », comparable à un centre de recherche collaboratif de la Fondation allemande pour la recherche (DFG).
Au cours des quatre prochaines années, des équipes de l'Université de Vienne et de l'Université de technologie de Vienne, de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche et de l'Université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) travailleront ensemble sur le projet financé à hauteur de 3,1 millions d'euros. euros. Adriana Pálffy-Buß participe au projet depuis Würzburg. Début 2022, l'experte en optique quantique à rayons X a repris la chaire d'information quantique théorique et d'optique quantique à la JMU. Avec son groupe, elle mène également des recherches au sein du pôle d'excellence Würzburg-Dresde ct.qmat – Complexité et topologie. dans les matériaux quantiques.
Le saut d'un noyau de thorium de l'état excité à l'état fondamental est le point de départ d'un nouveau type d'horloge que des équipes de recherche de Würzburg et de Vienne souhaitent développer. Crédit : Oselote / iStockphoto (Atomkern) /KI Hintergrund), édité
Augmenter la précision des mesures des méthodes physiques
«Les chercheurs dirigés par Oliver Heckl de l'Université de Vienne veulent augmenter la mesure précision de méthodes physiques dans le domaine de recherche spécial « Métrologie cohérente au-delà des transitions dipolaires électriques ». Une méthode innovante utilisant la lumière avec un moment cinétique orbital sera utilisée », selon le communiqué de presse de la FWF. Qu'est-ce que cela signifie?
« Les chronomètres les plus précis aujourd’hui sont les horloges atomiques, qui mesurent le temps en fonction de la fréquence des transitions que les électrons effectuent entre les différents niveaux d’énergie d’un objet. atome. Dans notre projet, nous souhaitons utiliser un nouveau laser à bande étroite pour faire sauter un noyau atomique entre les niveaux d'énergie et émettre ainsi des photons, c'est-à-dire des particules de lumière. Une telle horloge nucléaire pourrait augmenter la précision des mesures d'un facteur d'environ 3 », explique Adriana Pálffy-Buß.
Recherche sur un isotope de l'élément Thorium
L'équipe de recherche se concentre sur un isotope de l'élément thorium. Le noyau de thorium en question possède 229 éléments constitutifs nucléaires – protons et neutrons – et peut atteindre un état excité qui n’est qu’environ huit électrons-volts plus énergétique que son état d’énergie le plus bas, appelé état fondamental.
« Cette différence est si minime par rapport aux normes de la physique nucléaire que les deux états étaient à peine distinguables lorsqu'ils ont été observés pour la première fois », explique Pálffy-Buß. En même temps, c’est cette différence qui pourrait rendre possible une « mesure nucléaire du temps ». Preuve expérimentale de ce saut de l'état excité à l'état fondamental d'un noyau de thorium avec l'émission d'un photon a été atteint en 2023.
Tirez sur des atomes de thorium avec un laser et capturez les photons que vous recherchez : Malheureusement, « l'horloge nucléaire » ne fonctionne pas aussi facilement. L’une des raisons à cela : « Il faut environ huit électrons-volts pour exciter le noyau. Cependant, six électrons-volts suffisent pour retirer l’électron le plus externe de son orbite. Dans ce cas, le noyau excité préfère transférer son surplus d’énergie à l’électron plutôt que d’émettre un photon. Il faut cependant éviter cela», explique le physicien.
La solution à ce problème pourrait consister à incorporer des atomes de thorium dans des cristaux transparents spéciaux. «Les expériences correspondantes ont montré que le thorium prend sa place dans le réseau cristallin dans un état ionique, c'est-à-dire qu'il abandonne son électron externe», explique Pálffy-Buß. Le cristal peut également héberger plusieurs noyaux de thorium à la fois, ce qui facilite la détection du photon recherché.
Les impulsions laser en forme de tire-bouchon rotatif sont destinées à amener les noyaux de thorium dans l'état excité souhaité. Crédit : Tobias Kirschbaum
Tire-bouchons rotatifs comme solution
Autre problème : à ce jour, il n’existe pas de laser ayant la précision nécessaire pour déclencher l’effet recherché. L’équipe de recherche austro-allemande s’appuie donc sur la « méthode innovante susmentionnée qui utilise la lumière avec un moment cinétique orbital ». Ceci est également appelé faisceaux de lumière torsadés ou faisceaux vortex.
En termes très simplifiés, les impulsions laser ne frappent pas les atomes de thorium comme un « mur d’énergie » dans cette méthode. Au lieu de cela, ils ressemblent à une sorte de tire-bouchon rotatif et sont donc plus susceptibles de mettre les noyaux atomiques dans l’état excité souhaité.
Calculs théoriques pour le scénario idéal
En tant qu'experte en physique théorique, Adriana Pálffy-Buß soutiendra principalement le projet de recherche par ses calculs. « Je conçois et simule ce qui se passerait dans diverses configurations expérimentales et je fais des propositions sur ce qui fonctionnerait le mieux », résume le physicien. Parmi de nombreuses approches, elle tente d'identifier le scénario le plus prometteur. Pour cela, elle reçoit environ 375 000 euros de la cagnotte du domaine spécial de recherche – de quoi financer deux postes de doctorat.
Pour les physiciens, ce projet de recherche est extrêmement passionnant, déclare Pálffy-Buß. « Une horloge nucléaire permettrait d'étudier des concepts qui sont normalement tenus pour acquis, comme la question de savoir si les constantes physiques fondamentales sont réellement constantes. » Cela pourrait également aider à répondre à la question de savoir de quoi est constituée la matière noire. « En raison des interactions fondamentales qui jouent un rôle dans les transitions nucléaires, l'horloge nucléaire est dans une position unique pour répondre à de telles questions », conclut le physicien.
