Révolution dans la technologie des horloges nucléaires : vers une précision temporelle inégalée

ParisDes avancées majeures dans l'horlogerie nucléaire réalisées par JILA

Les scientifiques de JILA, un institut de recherche associé au NIST et à l'Université du Colorado à Boulder, ont perfectionné les horloges nucléaires, augmentant ainsi la précision de la mesure du temps. Contrairement aux horloges atomiques qui se basent sur les variations des niveaux d'énergie des électrons, les horloges nucléaires mesurent les variations des niveaux d'énergie au sein du noyau atomique, constitué de protons et de neutrons.

Les chercheurs ont démontré les éléments clés de cette horloge nucléaire en utilisant le thorium-229. Ils ont accompli cela en :

• Utilisation d'un laser ultraviolet spécialement conçu pour mesurer la fréquence d'un saut d'énergie dans les noyaux de thorium intégrés dans un cristal solide.
• Utilisation d'un peigne de fréquences optiques pour compter le nombre de cycles d'onde ultraviolette associés à ce saut d'énergie.
• Établissement d'un lien de fréquence direct entre la transition nucléaire du thorium et une horloge atomique utilisant du strontium.

Cette nouvelle technologie promet une précision temporelle exceptionnelle. Les horloges atomiques actuelles, essentielles pour le GPS, la synchronisation internet et les transactions financières, pourraient devenir moins précises comparées aux horloges nucléaires. Cette avancée pourrait améliorer les systèmes de navigation, accélérer l'internet, et renforcer la sécurité des communications numériques.

Les horloges nucléaires résistent mieux aux perturbations externes que les horloges atomiques. Dans les horloges atomiques, les électrons sont influencés par les champs électromagnétiques, tandis que les transitions nucléaires sont moins affectées par ces champs. De plus, les horloges nucléaires mesurent le temps plus précisément car elles fonctionnent à une fréquence plus élevée en raison des changements d'énergie plus rapides.

Créer des rayons X cohérents pour les transitions nucléaires est une tâche ardue. Cependant, le thorium-229 se distingue par le fait que sa transition peut être déclenchée par de la lumière ultraviolette, ce qui est beaucoup plus simple à produire en laboratoire. Des expériences récentes ont réussi à observer et utiliser cette transition, nous rapprochant de la mise au point d'horloges nucléaires.

Les recherches ont révélé des détails inédits sur la forme du noyau de thorium, illustrant le haut degré de précision atteint grâce à cette nouvelle technologie. Des caractéristiques jamais observées auparavant dans le noyau de thorium offrent des perspectives qui pourraient transformer les expériences fondamentales en physique. Par exemple, les horloges nucléaires pourraient aider à détecter la matière noire ou à confirmer la stabilité des constantes fondamentales de la nature, des tâches qui sont habituellement réalisées par des grands accélérateurs de particules.

Un nouveau type d'horloge nucléaire portable et fiable est en cours de développement. Les scientifiques explorent l'utilisation du thorium intégré dans un cristal solide pour fabriquer ces dispositifs. Cette approche est prometteuse car le noyau du thorium est moins sensible aux variations de l'environnement. Le physicien Jun Ye, du NIST et de JILA, a souligné que bien qu'une montre-bracelet restant précise pendant des milliards d'années ne soit pas encore réalisable, les recherches avancent de manière significative dans cette direction.

Une meilleure précision des horloges pourrait entraîner des progrès significatifs dans de nombreux domaines tels que le transport, la communication et la physique théorique. Cela ouvrirait la voie à des avancées majeures dans ces secteurs, toutes influencées par une meilleure gestion du temps.