Des scientifiques créent le premier prototype d’horloge nucléaire au monde

Ne perdant que quelques secondes à l’échelle de milliards d’années, les horloges atomiques sont les dispositifs les plus précis dont nous disposions pour mesurer le temps. Récemment, des chercheurs ont dévoilé le tout premier prototype d’horloge nucléaire, à même de les surpasser.

Une première

Les horloges atomiques mesurent le temps en se basant sur les vibrations extrêmement régulières de certains atomes (le césium 133 vibre par exemple 9 192 631 770 fois par seconde). De leur côté, les horloges nucléaires se concentrent sur leur minuscule noyau, d’un diamètre environ 100 000 fois plus faible. Impliquant un nombre de vibrations encore plus élevé, cette approche permettant de décomposer davantage chaque seconde pour un chronométrage plus précis se révèle également beaucoup moins sensible aux perturbations électromagnétiques.

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Dans les deux cas, le « tic-tac » provient du passage des particules d’un état quantique à l’autre lorsqu’elles sont atteintes par un faisceau laser d’une fréquence spécifique. Alors que les horloges nucléaires nécessiteraient normalement un laser beaucoup plus puissant que leurs équivalents atomiques, il s’avère que les états quantiques au sein du noyau d’un atome de thorium-229 se révèlent beaucoup plus proches l’un de l’autre. Ce qui implique qu’une impulsion plus faible est nécessaire pour passer de l’un à l’autre.

Quelques mois après avoir réussi à déterminer leurs niveaux d’énergie respectifs, et à déclencher leur « tic-tac » en utilisant un laser ultraviolet, une équipe de chercheurs a mis au point la première architecture fonctionnelle d’horloge nucléaire.

Détaillée dans la revue Nature, elle implique l’exposition d’une certaine quantité de xénon à une série d’impulsions laser infrarouges afin de produire un rayonnement UV prévisible. Projetée sur des noyaux de thorium en suspension dans un minuscule cristal, celui-ci va exciter les protons et neutrons qu’ils renferment. Un « peigne de fréquence optique » est ensuite utiliser pour compter les cycles de l’onde UV et ainsi obtenir des mesures ultra-précises du temps.

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De vastes implications

Si la précision du prototype se révèle actuellement inférieure à celle des horloges atomiques les plus performantes, les auteurs de l’étude rappellent qu’il s’agit d’une preuve de concept. Selon eux, deux à trois ans de développement supplémentaire devraient permettre d’inverser cette tendance.

Moins encombrants et plus stables, de tels dispositifs pourraient notamment permettre de rendre les télécommunications et la géolocalisation par GPS encore plus fiables, aider les scientifiques à sonder les principes fondamentaux de la physique et également à identifier des preuves de l’existence de la matière noire.