Deux équipes construisent les premières horloges nucléaires fonctionnelles

Après plus de deux décennies d'efforts, deux groupes de recherche indépendants ont construit les premières horloges nucléaires fonctionnelles — des appareils qui mesurent le temps en mesurant les oscillations au sein d'un noyau atomique plutôt que celles de ses électrons environnants. Ces percées parallèles, rapportées dans des prépublications publiées sur arXiv début juin, marquent le passage du chronométrage nucléaire de l'aspiration théorique à la technologie opérationnelle.

Une étape longtemps attendue

L'équipe européenne, dirigée par le physicien Thorsten Schumm de la TU Wien en Autriche, et une équipe chinoise basée à l'université Tsinghua sous la direction de Shiqian Ding et du premier auteur Beichen Huang, ont chacune stabilisé un laser ultraviolet sous vide sur la transition nucléaire de 148 nanomètres dans des noyaux de thorium-229 intégrés dans des cristaux de fluorure de calcium. Les deux groupes ont mis en œuvre des boucles de rétroaction qui dirigent en continu la fréquence du laser pour correspondre à la résonance nucléaire — une étape qui distingue une horloge opérationnelle d'une simple spectroscopie.arxiv+2

« C'était la dernière étape manquante avant de pouvoir parler d'une véritable horloge », a déclaré à Science News Lars von der Wense, physicien à l'université Johannes Gutenberg de Mayence, qui n'a participé à aucun des deux projets.gizmodo

L'équipe dirigée par Tsinghua a atteint une instabilité de fréquence fractionnaire de 2 × 10⁻¹² par racine carrée du temps de moyennage en secondes, atteignant environ 2 × 10⁻¹⁴ sur une période de fonctionnement prolongée. L'équipe de Vienne a rapporté une instabilité de 3 × 10⁻¹² par racine carrée du temps de moyennage, approchant 10⁻¹⁵ sur une journée complète de fonctionnement continu et sans surveillance. Les deux fonctionnent à température ambiante ou proche, sans les systèmes de refroidissement extrême ou de vide requis par les horloges atomiques de pointe actuelles.arxiv+2

Pourquoi c'est important

Un noyau atomique est environ 10 000 fois plus petit que le nuage d'électrons qui l'entoure, ce qui le rend beaucoup moins sensible aux perturbations dues aux champs électriques, aux fluctuations de température et aux autres bruits environnementaux. Cette résilience pourrait à terme produire des horloges d'une stabilité inégalée — suffisamment compactes pour un déploiement sur le terrain tout en étant assez précises pour tester si les constantes fondamentales de la physique dérivent avec le temps.gizmodo

Le groupe de Vienne a immédiatement mis son horloge au travail pour rechercher de la matière noire ultralégère, rapportant que l'appareil surpasse déjà les horloges atomiques pour contraindre la manière dont la matière noire pourrait se coupler à l'interaction nucléaire forte et aux quarks. Cette sensibilité accrue provient du fait que la transition nucléaire du thorium-229 est des milliers de fois plus réactive aux changements de la constante de structure fine que les transitions électroniques utilisées dans les horloges atomiques conventionnelles.pubmed.ncbi.nlm.nih+2

Premiers jours, progrès rapides

Les deux équipes ont reconnu que les appareils actuels n'atteignent pas encore la précision brute des meilleures horloges atomiques optiques du monde, qui atteignent des incertitudes fractionnaires inférieures à 10⁻¹⁸. Mais le rythme des améliorations a été rapide. Pas plus tard qu'en mars, près d'une douzaine de groupes en Chine, en Europe, au Japon et aux États-Unis étaient en course pour assembler les composants nécessaires. Le travail de l'équipe de Vienne en 2024 a d'abord localisé la résonance du thorium ; aujourd'hui, à peine deux ans plus tard, une horloge fonctionnelle existe.nature+1

« Ce qui m'a le plus impressionné, c'est que le système a fonctionné en continu pendant 24 heures sans intervention de l'utilisateur », a déclaré Ekkehard Peik de l'institut national de métrologie allemand PTB, co-auteur de l'article européen.newscientist