Des physiciens de l'UCLA ont mis au point une horloge nucléaire utilisant des atomes de thorium, potentiellement l'horloge la plus précise jamais conçue, qui pourrait redéfinir les constantes fondamentales et faire progresser la précision dans les domaines de la technologie et de la science. Crédit : Issues.fr.com
Ces découvertes pourraient conduire à la création de l’horloge la plus précise jamais réalisée, facilitant ainsi les avancées en matière de navigation et de communication dans l’espace lointain.
Utilisation d'un laser pour élever l'état énergétique d'un atomeL'excitation du noyau, appelée excitation, peut conduire au développement des horloges atomiques les plus précises. Ce processus est difficile car les électrons entourant le noyau sont très réactifs à la lumière, ce qui nécessite davantage de lumière pour affecter le noyau. UCLA Les physiciens ont surmonté ce problème en liant les électrons au fluor dans un cristal transparent, ce qui leur permet d'exciter les neutrons du noyau d'un atome de thorium à l'aide d'une quantité modérée de lumière laser. Cette réalisation ouvre la voie à des mesures beaucoup plus précises du temps, de la gravité et d'autres champs, dépassant de loin les mesures actuelles précision niveaux fournis par les électrons atomiques.
Depuis près d'un demi-siècle, les physiciens imaginent les possibilités qui pourraient découler de l'élévation de l'état énergétique du noyau d'un atome grâce à un laser. Cette avancée permettrait de remplacer les horloges atomiques actuelles par une horloge nucléaire, l'appareil de mesure du temps le plus précis jamais conçu. Une telle précision révolutionnerait des domaines comme la navigation et la communication dans l'espace lointain.
Cela permettrait également aux scientifiques de mesurer précisément si les constantes fondamentales de la nature sont réellement constantes ou semblent l’être simplement parce que nous ne les avons pas encore mesurées avec suffisamment de précision.
Aujourd'hui, un projet mené par Eric Hudson, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA, a accompli ce qui semblait impossible. En enfouissant un atome de thorium dans un cristal hautement transparent et en le bombardant de lasers, le groupe d'Hudson a réussi à faire en sorte que le noyau de l'atome de thorium absorbe et émette des photons comme le font les électrons d'un atome. Cet exploit étonnant est décrit dans un article publié dans la revue Lettres d'examen physique.
Capacités de mesure améliorées
Cela signifie que les mesures du temps, de la gravité et d'autres champs actuellement effectuées à l'aide d'électrons atomiques peuvent être réalisées avec une précision bien supérieure. La raison en est que les électrons atomiques sont influencés par de nombreux facteurs dans leur environnement, ce qui affecte la façon dont ils absorbent et émettent des photons et limite leur précision. Les neutrons et les protons, en revanche, sont liés et fortement concentrés dans le noyau et subissent moins de perturbations environnementales.
Grâce à cette nouvelle technologie, les scientifiques pourraient déterminer si des constantes fondamentales, comme la constante de structure fine qui détermine l'intensité de la force qui maintient les atomes ensemble, varient. Des indices issus de l'astronomie suggèrent que la constante de structure fine pourrait ne pas être la même partout dans l'univers ou à tout moment dans le temps. Une mesure précise de la constante de structure fine à l'aide de l'horloge nucléaire pourrait complètement réécrire certaines de ces lois les plus fondamentales de la nature.
« Les forces nucléaires sont si fortes que l’énergie du noyau est un million de fois plus forte que celle des électrons, ce qui signifie que si les constantes fondamentales de la nature s’écartent, les changements qui en résultent dans le noyau sont beaucoup plus importants et plus visibles, ce qui rend les mesures beaucoup plus sensibles », a déclaré Hudson. « L’utilisation d’une horloge nucléaire pour ces mesures fournira le test le plus sensible de la « variation constante » à ce jour et il est probable qu’aucune expérience au cours des 100 prochaines années ne pourra rivaliser avec lui. »
Le groupe de Hudson a été le premier à proposer une série d'expériences pour stimuler des noyaux de thorium-229 dopés dans des cristaux avec un laser, et a passé les 15 dernières années à travailler pour obtenir les résultats récemment publiés. Faire réagir les neutrons du noyau atomique à la lumière laser est un défi car ils sont entourés d'électrons, qui réagissent facilement à la lumière et peuvent réduire le nombre de photons réellement capables d'atteindre le noyau. Une particule qui a augmenté son niveau d'énergie, par exemple par l'absorption d'un photonest dit être dans un état « excité ».
Défis et innovations en physique nucléaire
L'équipe de l'UCLA a intégré des atomes de thorium 229 dans un cristal transparent riche en fluor. Le fluor peut former des liaisons particulièrement fortes avec d'autres atomes, les suspendant et exposant le noyau comme une mouche dans une toile d'araignée. Les électrons étaient si étroitement liés au fluor que la quantité d'énergie nécessaire pour les exciter était très élevée, ce qui permettait à la lumière de plus faible énergie d'atteindre le noyau. Les noyaux de thorium pouvaient alors absorber ces photons et les réémettre, ce qui permettait de détecter et de mesurer l'excitation des noyaux. En modifiant l'énergie des photons et en surveillant la vitesse à laquelle les noyaux sont excités, l'équipe a pu mesurer l'énergie de l'état excité du noyau.
« Nous n’avons jamais réussi à provoquer de telles transitions nucléaires avec un laser », a déclaré Hudson. « Si vous maintenez le thorium en place avec un cristal transparent, vous pouvez lui parler avec la lumière. »
Selon Hudson, cette nouvelle technologie pourrait être utilisée partout où une précision extrême est requise dans le domaine de la détection, des communications et de la navigation. Les horloges atomiques existantes basées sur les électrons sont des dispositifs de la taille d'une pièce avec des chambres à vide pour piéger les atomes et l'équipement associé au refroidissement. Une horloge nucléaire basée sur le thorium serait beaucoup plus petite, plus robuste, plus portable et plus précise.
« Personne ne s’enthousiasme pour les horloges parce que nous n’aimons pas l’idée que le temps soit limité », a-t-il déclaré. « Mais nous utilisons des horloges atomiques tout le temps, tous les jours, par exemple, dans les technologies qui fabriquent nos téléphones portables et GPS travail. »
Au-delà des applications commerciales, la nouvelle spectroscopie nucléaire pourrait lever le voile sur certains des plus grands mystères de l'univers. La mesure sensible du noyau d'un atome ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre ses propriétés et ses interactions avec l'énergie et l'environnement. Cela permettra aux scientifiques de tester certaines de leurs idées les plus fondamentales sur la matière, l'énergie et les lois de l'espace et du temps.
« Les humains, comme la plupart des formes de vie sur Terre, existent à des échelles soit bien trop petites, soit bien trop grandes pour observer ce qui se passe réellement dans l’univers », a déclaré Hudson. « Ce que nous pouvons observer depuis notre perspective limitée est un conglomérat d’effets à différentes échelles de taille, de temps et d’énergie, et les constantes de la nature que nous avons formulées semblent tenir à ce niveau. »
« Mais si nous pouvions observer plus précisément, ces constantes pourraient en fait varier ! Nos travaux ont fait un grand pas en avant vers ces mesures et, d’une manière ou d’une autre, je suis sûr que nous serons surpris de ce que nous apprendrons. »
« Depuis des décennies, des mesures de plus en plus précises des constantes fondamentales nous ont permis de mieux comprendre l’univers à toutes les échelles et de développer ensuite de nouvelles technologies qui font croître notre économie et renforcent notre sécurité nationale », a déclaré Denise Caldwell, directrice adjointe par intérim de la direction des sciences mathématiques et physiques de la NSF, qui a financé la recherche. « Cette technique basée sur le noyau pourrait un jour permettre aux scientifiques de mesurer certaines constantes fondamentales avec une telle précision que nous devrons peut-être cesser de les appeler « constantes ». »
La recherche a été financée par la National Science Foundation des États-Unis.
