Des équipes de recherche en Autriche et en Chine ont développé indépendamment les deux premières horloges nucléaires au monde.
L’horlogerie de précision vient de franchir un cap historique. Des scientifiques travaillant séparément à Vienne et à Beijing ont mis au point les premiers dispositifs fonctionnels capables de mesurer le temps par le biais du noyau atomique. Contrairement aux horloges atomiques classiques qui reposent sur le mouvement des électrons, ces nouveaux instruments exploitent les sauts d’énergie des protons et des neutrons à l’intérieur même du noyau de l’atome.
Le thorium-229 et les cristaux de fluorure de calcium au cœur de l’innovation
La réussite de ces appareils repose sur un choix minutieux des matériaux. Les deux équipes ont utilisé un isotope radioactif de l’élément thorium, le thorium-229, intégré dans des cristaux de fluorure de calcium. Pour provoquer le battement de l’horloge, les chercheurs projettent un laser ultraviolet extrêmement précis qui pousse les noyaux à basculer entre différents états d’énergie.
L’équipe de l’université Tsinghua, dirigée par l’associé professeur Ding Shiqian, a mis au point un laser à ondes continues de 148 nanomètres dans l’ultraviolet lointain. Ce dispositif novateur a permis de réduire la largeur de raie du laser de près de six ordres de grandeur. Cette prouesse technique a fourni la base indispensable pour stabiliser l’oscillateur. De son côté, l’équipe autrichienne de la TU Wien, emmenée par le physicien Thorsten Schumm, a privilégié une approche complémentaire en misant sur la qualité optique de ses cristaux.
« Les deux équipes ont travaillé indépendamment et sont parvenues à des horloges nucléaires au thorium-229 en même temps, en utilisant des approches expérimentales différentes. Je pense que c’est très encourageant car cela montre que le concept est robuste et ne dépend pas d’une seule mise en œuvre technique particulière. »
Shiqian Ding, physicien à l’université Tsinghua
Des performances actuelles et les perspectives d’avenir pour la physique
Malgré l’enthousiasme de la communauté scientifique, ces instruments n’égalent pas encore les meilleures horloges atomiques du marché.
L’enjeu dépasse la simple mesure du temps. L’équipe viennoise a déjà utilisé son dispositif pour tenter de détecter la matière noire, cette substance invisible qui compose une grande partie de l’univers. Bien que l’expérience n’ait pas formellement repéré ces particules, elle a démontré que l’horloge nucléaire rivalisait déjà avec les meilleures expériences atomiques existantes. Les chercheurs envisagent également de miniaturiser les composants.
« La création d’une horloge nucléaire était un rêve pour les physiciens depuis près de 50 ans. Dans mon équipe, nous travaillons vers cet objectif depuis 2008. »
Thorsten Schumm, physicien à la TU Wien
Une nouvelle génération de chercheurs à la tête du projet
À Pékin, le succès technique porte la marque d’une cohorte particulièrement jeune. La majorité des membres clés de l’équipe de Tsinghua sont nés dans les années 2000. Trois étudiants en doctorat — Huang Beichen, Yan Gaowei et Xiao Qi — figurent parmi les co-premiers auteurs de la publication parue dans Nature. Pour ces jeunes scientifiques, le chantier a nécessité de concevoir de nombreux systèmes expérimentaux à partir de zéro, palliant l’absence de solutions techniques préexistantes.
Les applications pratiques de ces avancées concernent directement les systèmes de navigation par satellite, les réseaux de télécommunications et les infrastructures financières, qui exigent une synchronisation temporelle rigoureuse.