Horloge nucléaire surpasse atomiques

Les horloges atomiques sont actuellement les plus précises, ne perdant que quelques secondes sur des milliards d’années. Cependant, les horloges nucléaires pourraient les surpasser, améliorant ainsi les technologies GPS et Internet. Les scientifiques ont maintenant développé et testé le premier prototype d’horloge nucléaire.

Les horloges atomiques mesurent le temps en comptant les vibrations d’atomes spécifiques, qui sont extrêmement constantes. Par exemple, le césium-133 vibre exactement 9 192 631 770 fois par seconde, et les horloges atomiques utilisent cette fréquence pour définir la longueur d’une seconde. Un réseau mondial d’horloges atomiques synchronise alors le temps à l’échelle mondiale, soutenant des technologies comme l’Internet à haute vitesse, le GPS et les lancements spatiaux qui reposent sur une mesure du temps précise.

Précision accrue en se concentrant sur les noyaux atomiques

Les scientifiques développent actuellement un nouveau type d’horloge promettant une précision encore plus grande. Contrairement aux horloges atomiques, qui mesurent les vibrations des atomes entiers, les horloges nucléaires se concentrent sur les vibrations du noyau uniquement.

Bien qu’un atome soit environ 100 000 fois plus grand que son noyau—comme une myrtille dans un stade de football—cette petite échelle permet une fréquence plus élevée de “tic-tac” par seconde, divisant le temps en unités encore plus fines pour une précision accrue. De plus, les horloges nucléaires sont moins affectées par les perturbations telles que l’électromagnétisme, améliorant ainsi leur stabilité.

Dans les horloges atomiques et nucléaires, le “tic-tac” se produit lorsque des particules passent entre deux états quantiques sous l’effet d’un laser à une fréquence spécifique. Cependant, les horloges nucléaires nécessitent généralement un laser beaucoup plus puissant que les horloges atomiques—sauf lorsqu’elles utilisent le thorium-229. Le noyau de thorium-229 possède deux états quantiques avec des niveaux d’énergie beaucoup plus proches, nécessitant une entrée d’énergie plus faible pour passer de l’un à l’autre.

Première commutation réussie des noyaux de thorium à l’aide d’un laser ultraviolet

En avril, des chercheurs de JILA ont réussi à déterminer avec précision la différence d’énergie entre ces états et ont commuté les noyaux de thorium entre eux pour la première fois. Ce processus a nécessité un laser ultraviolet, contrairement à la lumière infrarouge généralement utilisée pour les horloges atomiques.

Un diagramme simple illustrant le fonctionnement de l’horloge nucléaire
N. Hanacek/NIST

Composants clés démontrés à l’aide de lumière infrarouge et UV

En s’appuyant sur leurs travaux précédents, l’équipe a maintenant démontré tous les composants nécessaires pour une horloge nucléaire.

Ils utilisent une série d’impulsions laser infrarouges pour exciter du gaz xénon, qui émet ensuite de la lumière UV selon un motif prévisible. Cette lumière UV est dirigée vers des noyaux de thorium suspendus dans un petit cristal, excitant les protons et neutrons. Un “peigne de fréquences optiques” mesure alors les cycles d’onde UV pour une mesure du temps extrêmement précise.

Les chercheurs ont également comparé la fréquence UV de l’horloge nucléaire avec la fréquence optique de l’horloge atomique la plus précise disponible. Bien que l’horloge nucléaire actuelle ne dépasse pas encore les horloges atomiques en précision, elle sert de preuve de concept.

Selon Thorsten Schumm, un auteur de l’étude, “Avec ce premier prototype, nous avons montré que le thorium peut être utilisé pour une mesure du temps ultra-précise. Il ne reste plus que des obstacles techniques à surmonter.”

Les chercheurs prévoient que d’ici deux à trois ans, les horloges nucléaires surpasseront les horloges atomiques en précision et offriront une meilleure portabilité et stabilité. Cette avancée pourrait conduire à des communications plus rapides et plus fiables, à des technologies Internet et GPS améliorées, et pourrait même aider à la recherche fondamentale en physique et à la recherche de la matière noire.

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Lisez l’article original sur :  New Atlas

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