Des équipes de scientifiques à Vienne et à Pékin ont développé les deux premières horloges nucléaires au monde, des dispositifs expérimentaux fondés sur des cristaux de fluorure de calcium dopés au thorium-229. Publiée dans la revue Nature, cette avancée technologique pourrait à terme surpasser la précision des horloges atomiques conventionnelles.
Deux équipes construisent des horloges nucléaires indépendantes
Ces instruments représentent une nouvelle génération par rapport aux horloges atomiques traditionnelles créées en 1949.
L’appellation d’horloge nucléaire ne provient pas d’une source d’énergie nucléaire, mais du fait que la mesure du temps repose sur l’interaction d’un laser de forte puissance avec le noyau d’un atome, et non avec son nuage d’électrons externe. Bien que ces nouveaux dispositifs ne surpassent pas encore les meilleures horloges atomiques actuelles en matière de précision opérationnelle, les chercheurs estiment qu’ils disposent d’un potentiel considérable pour les dépasser à l’avenir.
« Les deux équipes ont travaillé indépendamment et sont parvenues à des horloges nucléaires au thorium-229 opérationnelles en même temps, en utilisant différentes approches expérimentales. Je pense que c’est très encourageant car cela montre que le concept est robuste et ne dépend pas d’une mise en œuvre technique particulière. »
Shiqian Ding, physicien à l’Université de Tsinghua
L’équipe autrichienne de l’Université de technologie de Vienne (TU Wien) travaillait sur cet objectif depuis 2008, un parcours jalonné par la production en avril 2024 d’une transition nucléaire stimulée par laser dans un noyau d’atome.
Le rôle de l’isotope thorium-229 et des cristaux
Au cœur de ces deux nouveaux instruments se trouve l’atome de thorium-229, un isotope rare doté d’un état excité nucléaire d’une énergie exceptionnellement faible. Contrairement à la majorité des noyaux atomiques dont les sauts énergétiques exigent des rayonnements extrêmement énergétiques, le thorium-229 peut être manipulé à l’aide de lasers ultraviolets précis.
Les deux équipes de recherche ont cultivé des cristaux contenant du thorium-229 avant de les suspendre sous des faisceaux laser ultra-précis capables de générer des micro-changements au niveau des noyaux. L’équipe viennois a notamment développé un prototype de système autostabilisé capable de fonctionner en continu pendant plus de 24 heures sans intervention extérieure.
Selon le physicien Thorsten Schumm, de la TU Wien, les deux laboratoires disposent de forces complémentaires qui pourraient être unies pour perfectionner l’instrument.
« Ce qui est vraiment bien ici : l’horloge de Vienne possède de meilleurs cristaux de thorium — avec une concentration plus élevée et de meilleures propriétés optiques — tandis que l’équipe de Beijing dispose d’un laser plus puissant. Ainsi, en associant ces composants, nous pouvons construire une horloge nettement meilleure. »
Thorsten Schumm, physicien à la TU Wien
Des applications en navigation et en physique fondamentale
Les horloges atomiques classiques mesurent le temps en pilotant le saut d’électrons entre différents niveaux d’énergie à l’aide de césium ou de strontium.
En ciblant les protons et les neutrons situés à l’intérieur du noyau atomique, les horloges nucléaires exploitent un espace des milliers de fois plus petit que le nuage électronique. Cette configuration isole mieux le système des perturbations externes et ouvre la voie à des instruments compacts, de la taille d’une puce électronique, qui pourraient être facilement transportés.
| Caractéristique | Horloge atomique classique | Horloge nucléaire au thorium |
|---|---|---|
| Élément de référence | Césium ou strontium | Thorium-229 en matrice cristalline |
| Mécanisme de mesure | Transitions des électrons dans la coque | Transitions des nucléons (protons et neutrons) dans le noyau |
| Stabilité actuelle du prototype | Écart d’une seconde sur des milliards d’années | Écart d’une seconde sur 30 millions d’années (précision testée à 10⁻¹⁵) |
| Perspectives d’intégration | Ensembles volumineux et délicats | Dispositifs de format miniature ou puces |
D’après le physicien Victor Flambaum, de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, la sensibilité accrue de ces instruments permettra de mesurer la courbure du temps exercée par la gravitation selon la théorie de la relativité générale d’Einstein.
Cette sensibilité pourrait transformer l’exploration minière et la prévision des séismes. En mesurant avec précision le gradient des champs gravitationnels, nous pouvons voir ce qui se trouve sous la terre
, a expliqué Victor Flambaum à propos des perspectives géophysiques de la technologie.
La recherche de la matière noire
Au-delà de la métrologie appliquée, les horloges nucléaires constituent un nouveau moyen d’interroger les constantes fondamentales de l’univers. L’équipe de Vienne a déjà mené une expérience de physique de précision visant à détecter la matière noire, une composante cosmique insaisissable qui n’a jamais été observée directement.