Les physiciens ont démontré tous les composants d'une horloge atomique - des appareils qui mesurent le temps en mesurant de minuscules changements d'énergie au sein d'un noyau atomique. De telles horloges pourraient conduire à des améliorations significatives de la précision des mesures ainsi qu’à de nouvelles connaissances en physique fondamentale.

Les chercheurs ont mesuré la fréquence de la lumière qui fait passer les noyaux de l'isotope rare thorium-229 à un état d'énergie plus élevé - "l'horloge" de l'horloge atomique - avec une précision 100 000 fois supérieure à la meilleure valeur précédente. Ils y sont parvenus en synchronisant la migration de l'énergie avec l'horloge la plus précise du monde. Les travaux ont été dirigés par Jun Ye du JILA, un institut de recherche situé à Boulder, au Colorado, et publiés le 5 septembre dans Nature. «C'est vraiment l'un des articles les plus passionnants de mémoire récente», déclare Marianna Safronova, physicienne nucléaire à l'Université du Delaware à Newark.

La percée a été réalisée en examinant les noyaux de thorium-229 avec un appareil laser appelé peigne de fréquence. Techniquement, la configuration n’est pas une montre car elle n’a pas encore été utilisée pour mesurer le temps. Mais des résultats aussi impressionnants rendent possible le développement d’une horloge atomique, explique Safronova.

Les mesures de l'horloge s'avèrent déjà utiles en physique des particules, explique Elina Fuchs, physicienne théoricienne à l'Université Leibniz de Hanovre, en Allemagne. Et comme la fréquence de l'horloge est déterminée par les forces fondamentales qui maintiennent le noyau ensemble, le prototype pourrait déterminer si un type de matière noire - une substance invisible qui représente environ 85 % de la matière dans l'univers - influence ces forces à une échelle infime. «C'est une nouvelle fenêtre directe sur l'énergie nucléaire», déclare Fuchs.

Des garde-temps ultimes

Les meilleures horloges du monde, appelées horloges atomiques, mesurent le temps à l'aide de lasers : la fréquence de la lumière est réglée avec précision pour obtenir l'énergie nécessaire au déplacement des électrons entre deux niveaux d'énergie au sein d'un atome. L’horloge atomique la plus précise ne gagne ou ne perd qu’une seconde tous les 40 milliards d’années. Une horloge atomique fonctionnerait légèrement différemment : l’horloge correspondrait aux transitions énergétiques des protons et des neutrons, plutôt que des électrons, lorsqu’ils entrent dans un état excité.

Ce changement d’énergie nécessite une fréquence ultraviolette légèrement plus élevée, ce qui entraîne une synchronisation plus rapide qui pourrait égaler ou dépasser la précision de l’horloge atomique. Mais le plus grand avantage potentiel de l’horloge atomique réside dans sa combinaison de précision et de stabilité. Les particules du noyau sont moins sensibles que les électrons aux perturbations telles que les champs électromagnétiques, ce qui signifie qu'une horloge atomique pourrait être portable et robuste. "Il devient désensibilisé d'une manière difficile à imaginer compte tenu du fonctionnement de nos horloges aujourd'hui", explique Anne Curtis, physicienne expérimentale au National Physical Laboratory de Teddington, au Royaume-Uni.

Mais trouver le bon type de noyau atomique à utiliser et déterminer la fréquence nécessaire pour le faire passer à un état énergétique différent a été un travail de 50 ans pour les physiciens. Dans les années 1970, des preuves indirectes suggéraient que le thorium-229 avait une transition nucléaire étrangement basse énergie – une transition qui pourrait éventuellement être déclenchée par un plasma de table. Mais ce n’est que l’année dernière que les scientifiques ont découvert la fréquence nécessaire – et cette année, ils ont réussi à initier la transition grâce à un laser.

L’équipe JILA a recherché la fréquence de transition dans des milliards d’atomes de thorium 229 intégrés dans le cristal à l’aide d’un système connu sous le nom de peigne de fréquence. Le peigne crée une série de lignes de fréquence laser régulièrement et uniformément espacées. Cela permet aux chercheurs d’éclairer le cristal à plusieurs fréquences précises à la fois pour rechercher un résultat, plutôt que de parcourir laborieusement le spectre des options possibles avec un laser à fréquence unique.

Les réglages du peigne – y compris la largeur des espaces entre les lignes, ou « dents » – étaient calibrés à l’aide de l’horloge atomique et pouvaient être ajustés. L’équipe a mené plusieurs expériences et, en observant la lueur caractéristique qui se produit lorsque les atomes de thorium 229 se désintègrent de leur état excité, ils ont utilisé les paramètres pour calculer la fréquence qui contrôle le signal.

Observer la transition pour la première fois « était incroyable », déclare Chuankun Zhang, co-auteur de l'étude et physicien à la JILA. « Nous avons fait des tests toute la nuit pour vérifier si c'était bien le signal que nous recherchions », raconte-t-il.

Forces de base

La particularité du peigne de fréquence est qu'il permet aux physiciens de mesurer la fréquence d'horloge d'une horloge - ici le noyau de thorium 229 - en tant que rapport à une autre fréquence connue, en l'occurrence une horloge atomique. Cela a non seulement permis à l'équipe de déterminer la valeur absolue de la fréquence avec une grande précision, mais a également ouvert des possibilités intéressantes en physique, explique Zhang.

Si la vitesse d'une horloge change au fil du temps par rapport à une autre, cela pourrait indiquer que les facteurs qui déterminent les niveaux d'énergie - tels que la forte force nucléaire ou électromagnétique - dérivent ou fluctuent, explique Fuchs. On pense que certaines formes « légères » de matière noire, qui ont une masse extrêmement faible, ont cet effet, dit-elle.

Tout changement de forces serait amplifié par la fréquence de migration vers l’intérieur du noyau, de sorte que les horloges atomiques pourraient potentiellement être environ 100 millions de fois plus sensibles aux effets de ce type de matière noire que les horloges atomiques. Le dernier résultat - qui identifie la fréquence avec une précision de 13 décimales - est déjà suffisamment précis pour affiner les plages d'énergie possibles dans lesquelles la matière claire et noire pourrait exister, explique Fuchs. La physique nucléaire pourrait également bénéficier d’une fréquence de transition plus précise, ce qui pourrait aider les scientifiques à distinguer les différentes formes possibles du noyau du thorium-229.

Mais il reste encore du travail à faire avant que les horloges atomiques puissent surpasser les horloges atomiques, qui sont actuellement précises à 19 décimales près. Les chercheurs étudieront s'il est judicieux de conserver le thorium 229 intégré dans un cristal - un solide est pratique pour fabriquer une montre portable - ou si le confinement d'atomes individuels produirait de meilleurs résultats.

Le système laser doit également être optimisé. "Heureusement, cette technique étonnante a un grand potentiel", déclare Olga Kocharovskaya, physicienne à la Texas A&M University à College Station. Il s’agit d’un « prototype de la source qui sera utilisée dans la future montre », ajoute-t-elle.