Ce noyau de thorium excité par un simple faisceau laser pourrait redéfinir la précision du temps qui passe

Des physiciens ont réussi à propulser le noyau d’un atome de thorium vers un niveau d’énergie supérieur. Leur outil : un simple faisceau laser. Cette prouesse était recherchée depuis les années 1970. Elle ouvre la voie à des horloges nucléaires, bien plus stables que nos meilleures horloges atomiques actuelles.

Dans une horloge atomique, chaque tic-tac vient d’un saut d’électron précis

Une horloge atomique mesure le temps à partir du comportement des électrons. Ceux-ci gravitent autour du noyau de l’atome. Chaque électron occupe un niveau d’énergie précis, un peu comme un étage dans un immeuble. Il peut en changer sous l’effet d’un apport d’énergie externe.

Lire aussi Comment les physiciens ont réussi le tout premier transport d’antimatière sur route ?

Un laser réglé sur la bonne fréquence peut provoquer ce saut. L’électron absorbe alors l’énergie du faisceau et monte d’un niveau. Il retombe presque aussitôt à son état initial en libérant un photon. Cette transition énergétique se répète à une cadence d’une régularité remarquable.

La fréquence de ce photon dépend uniquement de l’écart entre deux niveaux d’énergie de l’atome, une valeur fixe et universelle. En comptant ces oscillations avec un instrument adapté, les physiciens obtiennent une mesure du temps d’une précision extrême. C’est la base des horloges atomiques actuelles.

Les électrons ont une faiblesse que le noyau de l’atome n’a pas

Ce système a toutefois un point faible. Les électrons se situent à l’extérieur de l’atome. Ils restent donc exposés aux champs magnétiques parasites et aux variations de l’environnement. Ces perturbations modifient légèrement leurs niveaux d’énergie et peuvent, à terme, dérégler la mesure du temps.

Lire aussi Un physicien a passé sa vie à copier un message inscrit dans la lumière solaire sans jamais le déchiffrer

Une horloge nucléaire contournerait ce problème. Elle s’appuierait sur les transitions d’énergie du noyau lui-même, mieux protégé des interférences extérieures. Le défi restait toutefois immense : les écarts d’énergie nucléaires sont en général bien trop grands pour qu’un laser puisse les atteindre.

Cinquante ans après sa découverte, le thorium-229 livre enfin son secret

Dans les années 1970, des chercheurs remarquent qu’un isotope particulier, le thorium-229, possède un niveau d’énergie nucléaire anormalement bas. Ce niveau semble accessible à la lumière laser. L’idée d’une horloge basée sur ce noyau germe alors, mais la précision requise dépasse encore les moyens techniques de l’époque.

Localiser cet écart avec exactitude s’avère complexe. Les équipes doivent d’abord exciter le thorium-229 vers un niveau d’énergie bien plus élevé que celui visé. Elles analysent ensuite les infimes variations d’énergie de la lumière émise lors de sa redescente vers l’état recherché.

Lire aussi Le temps peut-il naître de l’ignorance ? Une expérience quantique relie son écoulement aux échanges internes d’entropie

Après des décennies de tâtonnements, les physiciens observent enfin ce saut d’énergie, directement cette fois. Le changement mesuré est précis : 8,35574 électrons-volts. Pour y parvenir, ils piègent les atomes de thorium-229 dans des cristaux de fluorure de calcium, un environnement contrôlé qui rend l’observation possible.

Une horloge nucléaire pourrait bientôt sonder les forces cachées de l’univers

Cette observation directe n’aurait pas été possible sans les progrès récents dans le piégeage des atomes à l’échelle nucléaire. Les techniques de confinement se sont affinées. Elles rendent désormais accessible un phénomène resté hors de portée pendant un demi-siècle.

Une future horloge nucléaire ne mesurerait pas seulement le temps avec plus de finesse. Elle pourrait aussi servir d’outil de recherche fondamentale, en détectant d’infimes variations des constantes physiques ou en éclairant des phénomènes encore mal compris, comme l’énergie noire et la matière noire. Ces travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

Lire aussi Une fibre optique imite un trou noir et dévoile une réaction que le modèle de Hawking laissait dans l’ombre