Des expériences sur le thorium ont révélé une étrange bizarrerie qui pourrait être utilisée dans une toute nouvelle catégorie d’horloges atomiques, ouvrant la voie à une méthode de mesure du temps plus précise que jamais.
À l’heure actuelle, les horloges de haute précision que nous utilisons pour coordonner les satellites de positionnement mondial sont basées sur le fait de frapper un électron avec la bonne quantité d’énergie pour le forcer à quitter son orbite et à y retourner.
Ce minuscule saut quantique prend un temps très précis, qui peut être détecté et utilisé comme un minuscule pendule. Ainsi, les “horloges atomiques” modernes les plus pratiques peuvent perdre une seconde tous les deux cents millions d’années environ.
Les efforts actuels de groupes tels que l’Institut national américain des normes et de la technologie tentent d’améliorer la précision en refroidissant et en augmentant la densité de la particule, mais les électrons peuvent encore être facilement bousculés de temps à autre.
Il y a une quinzaine d’années, des physiciens de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne ont commencé à prendre au sérieux la possibilité d’utiliser les états de transition d’un noyau atomique pour mesurer le temps.
La densité des particules contenues dans un noyau – comme celui d’un atome de thorium – signifie qu’il est beaucoup moins susceptible d’être perturbé et qu’il pourrait donc, en théorie, mesurer le temps avec encore plus de fiabilité.
Le seul problème, c’est que la plupart des atomes ont besoin d’un coup de fouet puissant pour que leur noyau se transforme en un état d’excitation suffisant pour qu’ils puissent fonctionner.
Le noyau du thorium-229 se distingue par sa capacité à former un isomère dans un état excité qui est temporairement stable (connu sous le nom d’état “métastable”) lorsqu’il est baigné de lumière UV, ce qui en fait le meilleur candidat à ce jour pour une horloge atomique optique basée sur le noyau d’un atome.
La transformation de la théorie en une technologie pratique s’est toutefois avérée difficile en raison de la gamme étroite de longueurs d’onde requises.
“Comme souhaité pour l’horloge, la résonance de la transition est extrêmement nette et ne peut être observée que si la fréquence de la lumière laser correspond précisément à la différence d’énergie des deux états”, explique le physicien Ekkehard Peik.
“Le problème s’apparente donc à la proverbiale recherche d’une aiguille dans une botte de foin”
Pour partir à la recherche de cette “aiguille”, Peik et ses collègues avaient besoin de connaître quelques éléments sur la botte de foin dans laquelle elle se trouvait.
En collaboration avec des chercheurs de la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich, l’équipe a analysé des formes métastables de l’isomère Thorium-229 capturées dans un état excité lors de leur désintégration d’atomes d’uranium.
En frappant les atomes piégés avec un laser et en étudiant le spectre de la lumière produite par leurs électrons en mouvement, l’équipe a pu évaluer la distribution de la charge dans leur noyau.
Le résultat final est une meilleure image du noyau qui permettra de réduire la gamme de fréquences nécessaires pour faire passer le noyau atomique d’un état fondamental à un état excité, le faisant ainsi fonctionner comme une horloge.
La précision d’une horloge nucléaire au thorium n’est pas claire, mais elle ouvrirait certainement la voie à une toute nouvelle façon de mesurer les secondes qui passent.
L’affinement de la précision de ces horloges pourrait jouer un rôle important dans notre recherche de l’identité insaisissable de la matière noire, potentiellement détectable uniquement lorsque sa masse déforme le temps.
C’est une aiguille que nous sommes impatients de découvrir.
Cette recherche a été publiée dans Nature.