Deux groupes de recherche, l’un de l’Université TU Wien en Autriche et l’autre de l’Université Tsinghua de Pékin, ont démontré indépendamment le fonctionnement du système. premiers prototypes d’horloge nucléaire, basé sur thorium-229. Les résultats, publiés dans Nature dans deux études distinctes et curieusement publiés dans le même numéro de la revue, marquent un étape importante pour une technologie étudiée depuis plus de vingt ans dans les laboratoires de physique.
Contrairement au horloges atomiques conventionnels, qui sont basés sur les transitions des électrons atomiques, les horloges nucléaires ils exploitent le transitions énergétiques du noyau de l’atome comme référence de fréquence pour mesurer le passage du temps.
En fait, les horloges atomiques sont déjà présentes aujourd’hui synchronisation des réseaux de communication Internetdans télécommunications et dans les systèmes de navigation par satellite tels que le GPSet c’est précisément dans ces applications qu’un saut de précision cela pourrait faire une différence.
Comment fonctionne une horloge nucléaire
Chaque montre a besoin de quelque chose qui tu te balances à un rythme régulier et régulier. Dans une horloge atomique, c’est le lumière absorbée et émise par un électron lorsqu’il saute entre deux niveaux d’énergie de l’atome. L’unité de mesure fondamentale que nous utilisons quotidiennement, le deuxièmeest défini avec précision compter les oscillations associé à une transition des électrons de l’atome césium (dans le cas des horloges atomiques, cet élément est utilisé).
Une horloge nucléaire déplacer ce principe dans le noyau de l’atomeoù les protons et les neutrons occupent également des niveaux d’énergie différents.
Lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie à un autre, il absorbe ou émet de l’énergie à un moment donné. fréquence bien définie. UN laser peut être utilisé mesurer cette transitioncalibrant sa fréquence avec cette caractéristique de l’atome. Si la fréquence du laser change, même légèrement, le système peut détecter l’écart et le corriger et ainsi un référence extrêmement stable de la mesure du temps.
Les horloges nucléaires appliquent un principe similaire, mais changent l’origine de la transition énergétique. Au lieu d’électrons, ils utilisent les protons et les neutrons qui composent le noyau atomique. Même le noyau peut en fait passer entre différents états énergétiquesabsorbant l’énergie.
Le avantage par rapport aux horloges atomiques consiste essentiellement à utiliser le noyau de l’atome, qui est au-delà dix mille fois plus petit de l’atome lui-même e réagit Très moins au perturbations extérieures (c’est-à-dire les perturbations électromagnétiques externes continues qui influencent et perturbent les transitions électroniques) : c’est donc un chronomètre beaucoup plus fiable.
En pratique, comparée à une horloge atomique, une horloge nucléaire ça dériverait moins avec le temps : ils s’accumuleraient dans la mesure moins erreurs ce qui, avec le temps, le ferait toujours moins précis.
Les prototypes de Vienne et de Pékin comparés
Les deux groupes se sont rattrapés des résultats complémentaires dans leurs recherches. À Vienne les chercheurs ont développé un horloge nucléaire avec un système de rétroaction qui corrige automatiquement la fréquence laser, réalisant le premier horloge nucléaire auto-stabilisante. Il est resté stable pendant plus de 24 heures sans intervention, avec une précision d’environ une partie sur un million de milliards, ce qui équivaut à un une seconde erreur dans à propos 30 millions d’années.
Le groupe chinois Tsinghua en a plutôt démontré un une plus grande stabilité de fréquence à court terme et vérifié que deux cristaux fait indépendamment ils renvoient des fréquences concordantes. Le résultat chinois met avant tout en valeur la stabilité et la reproductibilité, tandis que le résultat viennois démontre l’automatisation du fonctionnement et la possibilité de reproduire technologiquement le système tout en conservant sa fonctionnalité.
Pourquoi le thorium-229 est utilisé
La technologie utilisée par les deux groupes de recherche est basée sur thorium-229un isotope du thorium. Son noyau possède un caractéristique particulière et c’est la raison pour laquelle il a été choisi : le thorium-229, en effet, a deux états d’énergie nucléaire séparés par une quantité d’énergie particulièrement faible par rapport à celui typique des transitions nucléaires.
Cette différence permet exciter le noyau en utilisant la lumière ultravioletteplutôt que de recourir aux énergies beaucoup plus élevées qui seraient nécessaires pour la plupart des autres transitions nucléaires (les rayons X ou les rayons gamma sont beaucoup plus difficiles à contrôler avec la même précision qu’un laser).
Pour rendre les noyaux de thorium utilisables, les deux groupes les ont incorporés dans cristaux de fluorure de calcium (CaF₂). Le matériel vous permet de accueillir un grand nombre de noyaux et d’interagir avec eux à l’aide du laser ultraviolet.
En pratique, un laser éclaire un cristal de fluorure de calcium contenant du thorium-229 ; à ce stade, le le laser excite le noyau du thorium-229 et la fréquence de la lumière utilisée pour ce faire est toujours la même, identique pour tous les noyaux. Le cristal, transparent à la lumière ultraviolette, sert à maintenir immobiles de nombreux noyaux de thorium.
LE les noyaux absorbent lumière seulement si sa fréquence est la bonneun peu comme lorsque l’on essaie de syntoniser une fréquence précise sur une radio. Les oscillations laser, environ deux millions de milliards par seconde, constituent l’unité fondamentale de temps : compter les oscillations du laser verrouillé sur cette fréquence oui mesurer le temps.
Applications réelles
L’un des des perspectives plus intéressantes pour les utilisations applicatives de l’horloge nucléaire concerne le navigation par satellite qui utilise le système GPS (Système de positionnement global). En effet, pour déterminer la position d’un récepteur, les satellites du réseau GPS transmettent des signaux horaires qui permettent de calculer la distance parcourue par la lumière.
UN erreur d’une nanoseconde seulement correspond à environ 30 centimètres dans la distance estimée à la surface de la Terre. Des horloges plus stables pourraient donc contribuer à améliorer la précision du positionnement fourni par le GPS.
Une référence temporelle plus fiable serait également utile pour synchroniser les réseaux satellites et coordonner les communications entre les engins spatiaux et les stations terriennes.
Mais les applications potentielles des horloges nucléaires pourraient également servir à la recherche physique fondamentale: sans surprise, un domaine d’application de recherche proposé par les groupes de Vienne et de Pékin était celui de la recherche des indices sur la nature de la matière noire.
En fait, certains modèles théoriques prédisent qu’une forme de matière noire ultralégère peut provoquer d’infimes variations dans les constantes fondamentales de la nature, modification donc le fréquence des transitions atomiques et nucléaires. En comparant différentes horloges, les scientifiques peuvent rechercher ces variations. Le groupe de Vienne a déjà utilisé son prototype pour vérifier certaines de ces hypothèses, sans toutefois détecter de signaux, mais en étant capable de fournir des valeurs limites aux éventuels modèles théoriques prédisant ce type de matière noire.