Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d’horloge atomique utilisant des atomes superradiants, qui promet une précision sans précédent dans la mesure du temps. Cette avancée, détaillée dans Communications naturelles, pourrait améliorer la précision du GPS, faciliter la navigation spatiale et améliorer la surveillance des volcans et des tremblements de terre. Crédit : Issues.fr.com
Les atomes superradiants offrent une méthode révolutionnaire pour mesurer le temps avec un niveau de précision sans précédent. Dans une étude récente publiée par la revue scientifique Communications naturelles, des chercheurs de l'Université de Copenhague présentent une nouvelle méthode de mesure de l'intervalle de temps, les secondes, qui surmonte certaines des limitations que rencontrent même les horloges atomiques les plus avancées d'aujourd'hui. Cette avancée pourrait avoir de vastes implications dans des domaines tels que l'exploration spatiale, la surveillance volcanique et GPS systèmes.
La seconde, qui est l’unité de mesure définie la plus précisément, est actuellement mesurée par des horloges atomiques dans différents endroits du monde qui, ensemble, nous indiquent l’heure qu’il est. Grâce aux ondes radio, les horloges atomiques envoient en permanence des signaux qui synchronisent nos ordinateurs, téléphones et montres.
Les oscillations sont la clé pour garder le temps. Dans une horloge grand-père, ces oscillations proviennent du balancement d'un pendule d'un côté à l'autre chaque seconde, tandis que dans une horloge atomique, il s'agit d'un faisceau laser qui correspond à une transition énergétique du strontium et oscille environ un million de milliards de fois par seconde.
La boule lumineuse au milieu, appelée « piège magnéto-optique » (MOT), est constituée d'environ 300 millions d'atomes de strontium en suspension dans une chambre à vide refroidie juste au-dessus du zéro absolu. Ce piège a été utilisé par les chercheurs pour développer de nouvelles techniques de mesure du temps. Crédit : Eliot Bohr
Cependant, selon Eliot Bohr, doctorant à l’Institut Niels Bohr, même les horloges atomiques pourraient devenir plus précises. En effet, le laser de détection, utilisé par la plupart des horloges atomiques modernes pour lire l'oscillation des atomes, chauffe tellement les atomes qu'ils s'échappent, dégradant ainsi la précision.
« Parce que les atomes doivent constamment être remplacés par de nouveaux atomes, pendant que de nouveaux atomes sont préparés, l’horloge perd très légèrement du temps. C'est pourquoi nous essayons de surmonter certains des défis et limites actuels des meilleures horloges atomiques du monde, notamment en réutilisant les atomes afin qu'ils n'aient pas besoin d'être remplacés aussi souvent », explique Bohr, employé à l'Institut. Niels Bohr Institute lorsqu'il a effectué la recherche, mais qui est maintenant doctorant à l'Université du Colorado.
Superradiance et refroidissement jusqu'au zéro absolu
La méthodologie actuelle consiste en un four chaud qui crache environ 300 millions d'atomes de strontium dans une boule d'atomes froids extraordinairement froide connue sous le nom de piège magnéto-optique, ou MOT. La température de ces atomes est d’environ -273 °C – très proche zéro absolu – et il y a deux miroirs avec un champ lumineux entre eux pour améliorer les interactions atomiques. Bohr et ses collègues chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour lire les atomes.
« Lorsque les atomes atterrissent dans la chambre à vide, ils restent complètement immobiles car il fait très froid, ce qui permet d'enregistrer leurs oscillations avec les deux miroirs situés aux extrémités opposées de la chambre », explique Bohr.
Eliot Bohr (à gauche) et son collègue Sofus Laguna Kristensen démarrent les expériences à l'Institut Niels Bohr. Crédit : Ola J. Joensen, NBI.
La raison pour laquelle les chercheurs n'ont pas besoin de chauffer les atomes avec un laser et de les détruire est due à un phénomène physique quantique appelé « superradiance ». Le phénomène se produit lorsque le groupe d'atomes de strontium est intriqué et émet en même temps de la lumière dans le champ situé entre les deux miroirs.
« Grâce aux miroirs, les atomes se comportent comme une seule unité. Collectivement, ils émettent un puissant signal lumineux que nous pouvons utiliser pour lire l’état atomique, une étape cruciale pour mesurer le temps. Cette méthode chauffe peu les atomes, donc tout se passe sans remplacer les atomes, ce qui pourrait en faire une méthode de mesure plus précise », explique Bohr.
GPS, missions spatiales et éruptions volcaniques
Selon Bohr, les nouveaux résultats de la recherche pourraient être bénéfiques pour développer un système GPS plus précis. La trentaine de satellites qui tournent constamment autour de la Terre et nous indiquent où nous sommes ont besoin d’horloges atomiques pour mesurer le temps.
« Chaque fois que les satellites déterminent la position de votre téléphone ou de votre GPS, vous utilisez une horloge atomique dans un satellite. La précision des horloges atomiques est si importante que si cette horloge atomique est décalée d'une microseconde, cela signifie une imprécision d'environ 100 mètres à la surface de la Terre », a déclaré Bohr.
Des horloges atomiques plus précises pourraient également avoir un impact significatif sur les futures missions spatiales.
« Lorsque des personnes et des engins sont envoyés dans l’espace, ils s’éloignent encore plus de nos satellites. Par conséquent, les exigences en matière de mesures temporelles précises pour naviguer dans l’espace sont bien plus grandes », dit-il.
Le résultat pourrait également être utile dans le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques plus petites et portables qui pourraient être utilisées pour bien plus que « simplement » mesurer le temps.
« Les horloges atomiques sont sensibles aux changements gravitationnels et peuvent donc être utilisées pour détecter les changements dans la masse et la gravité de la Terre, ce qui pourrait nous aider à prédire quand les éruptions volcaniques et les tremblements de terre se produiront », explique Bohr.
Bien que très prometteuse, Bohr souligne que cette nouvelle méthode d’utilisation d’atomes superradiants reste une « preuve de concept » qui doit encore être affinée.
