Une nouvelle horloge atomique est passée d’une dimension à trois, devenant ainsi le garde-temps le plus précis qui soit – seulement 3,5 parties d’erreur sur 10 quintillions (soit 1 suivi de 19 zéros) en deux heures.
L’horloge a été construite par le JILA, une collaboration entre l’université du Colorado et le National Institute of Standards and Technology, qui a également construit le précédent détenteur du record mondial de l’horloge la plus précise en 2015.
Elle avait une précision de 2 parties d’erreur sur 1 quintillion (18 zéros), et pouvait garder le temps sans perdre ou gagner une seconde pendant 15 milliards d’années – plus longtemps que l’âge de l’univers.
“Nous entrons dans une période vraiment passionnante où nous pouvons créer un état de la matière par ingénierie quantique dans un but de mesure particulier”, a déclaré Jun Ye, physicien au NIST.
L’horloge atomique de 2015 était basée sur un réseau unidimensionnel d’atomes de strontium, maintenus en place par des faisceaux laser.
La nouvelle horloge a étendu ce réseau à un minuscule cube en 3D et a emballé du gaz à une densité 1 000 fois supérieure à celle des précédentes horloges atomiques unidimensionnelles.
Les horloges atomiques donnent l’heure en se basant sur le comportement des électrons qui entourent les atomes de ce gaz lorsqu’ils sont exposés à un rayonnement. Ils font des allers-retours entre deux états énergétiques avec une très grande précision.
La fréquence de cette transition électronique est la base de la mesure du temps des horloges atomiques.
Dans les horloges atomiques unidimensionnelles, chaque atome est mesuré indépendamment, car lorsqu’ils interagissent entre eux, cela peut entraîner des imprécisions.
Dans un cube, par contre, le gaz devient une collection d’atomes qui interagissent globalement et se déplacent de manière à s’éviter mutuellement, ce que l’on appelle un “système quantique à plusieurs corps”, ce qui minimise les collisions et améliore considérablement la précision.
Le gaz fait également la différence. Pour la première fois dans une horloge atomique, l’équipe a utilisé un gaz appelé gaz de Fermi, ou “gaz quantique”, une phase de la matière qui contient un grand nombre de fermions.
Contrairement aux gaz thermiques traditionnellement utilisés dans les horloges atomiques, ce gaz de Fermi permet de restreindre pour la première fois toutes les propriétés des atomes.
Grâce à ces propriétés, l’horloge pourra être mise à l’échelle.
“Le potentiel le plus important de l’horloge à gaz quantique tridimensionnel est la possibilité d’augmenter le nombre d’atomes, ce qui entraînera un énorme gain de stabilité”, a déclaré Ye.
“De plus, nous pourrions atteindre la condition idéale consistant à faire fonctionner l’horloge avec son temps de cohérence complet, c’est-à-dire la durée pendant laquelle une série de tics peut rester stable. La possibilité d’augmenter à la fois le nombre d’atomes et le temps de cohérence rendra cette horloge de nouvelle génération qualitativement différente de la génération précédente.”
Elle peut atteindre la même précision que les horloges atomiques précédentes 20 fois plus vite, en maintenant des tics stables pendant 10 secondes avec 10 000 atomes de strontium entassés à une densité supérieure à 10 trillions d’atomes par centimètre cube.
“Cela représente une amélioration considérable par rapport à toutes les démonstrations précédentes”, a déclaré M. Ye.
La précision de la mesure du temps n’est pas seulement importante pour être sûr d’arriver à l’heure chez le médecin. Elle est vitale pour la science. Une horloge atomique incroyablement précise peut contribuer à la fois à la mesure du temps et à la navigation à des fins de recherche.
Elle peut également aider à définir et à affiner les mesures du temps. “One mississippi” fonctionne pour le jeu de cache-cache, mais la précision fournie par les horloges atomiques a codifié la seconde standard.
Et les horloges atomiques sont un outil fascinant dans la recherche de la matière noire.
Lorsque les horloges atomiques interagissent avec la matière noire, elles peuvent accélérer ou ralentir – mais par des fractions de seconde absolument minuscules. Les horloges atomiques synchronisées peuvent rendre ces écarts détectables d’une manière que les autres horloges ne peuvent pas.
cette nouvelle horloge au strontium utilisant un gaz quantique est un succès précoce et stupéfiant dans l’application pratique de la “nouvelle révolution quantique”, parfois appelée “quantique 2.0”, a déclaré Thomas O’Brian, le superviseur de Ye.
“Cette approche est extrêmement prometteuse pour le NIST et le JILA, car elle permet d’exploiter les corrélations quantiques pour un large éventail de mesures et de nouvelles technologies, bien au-delà du chronométrage.”
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans la revue Science.