Deux équipes, à Vienne et à Pékin, ont franchi presque simultanément une étape recherchée depuis des années : faire fonctionner une horloge dont la référence est une transition dans le noyau d’un atome. Décrits dans deux articles publiés par Nature, leurs prototypes au thorium 229 ne battent pas encore les meilleures horloges atomiques. Ils montrent toutefois que le concept peut devenir un système autonome, capable de stabiliser un laser et de compter le temps sur la durée.
Comment un noyau atomique peut régler une horloge
Les horloges atomiques actuelles prennent pour référence les changements d’état des électrons autour du noyau. Une horloge nucléaire s’appuie, elle, sur une transition énergétique du noyau lui-même. Celui-ci est beaucoup moins sensible aux champs électriques et à plusieurs perturbations extérieures : cette protection naturelle pourrait offrir une référence plus stable.
Encore faut-il pouvoir atteindre cette transition. Pour la plupart des noyaux, cela exige des rayonnements trop énergétiques pour être pilotés avec les techniques laser usuelles.
Le thorium 229 fait exception. Sa transition, autour de 8,4 électronvolts, est accessible dans l’ultraviolet lointain. L’équipe de TU Wien et de l’institut allemand PTB a ainsi placé des noyaux de thorium dans un cristal de fluorure de calcium et utilisé un laser continu à 148 nanomètres pour les sonder. Une boucle de rétroaction ajuste en permanence la fréquence de ce laser afin de la maintenir sur la transition recherchée. C’est ce mécanisme de correction qui transforme une résonance observée en véritable horloge : le noyau devient la référence qui stabilise le laser. Les chercheurs ne se contentent donc plus de détecter ponctuellement le phénomène.
À Pékin, une seconde équipe a conçu son propre dispositif, avec du thorium lui aussi intégré à un cristal. Les approches ont cependant des atouts différents. Selon Reuters, les chercheurs de Vienne disposent de cristaux particulièrement aboutis, tandis que l’équipe chinoise utilise une source laser plus puissante. Ces deux réalisations permettent désormais de comparer les choix techniques et les améliorations qu’ils peuvent apporter.
Les meilleures horloges atomiques restent devant
L’étape franchie est celle du fonctionnement en boucle fermée. Le record de précision reste à conquérir. Les prototypes doivent encore améliorer la qualité de leurs cristaux, réduire les variations introduites par leur environnement et affiner leurs lasers ultraviolets. Il faudra aussi comparer directement plusieurs horloges nucléaires pour mesurer leur stabilité réelle. Dépasser les références atomiques actuelles reste un objectif, dont la réalisation dépendra de ces progrès.
Ces appareils restent des instruments de laboratoire, contenant des quantités infimes de thorium. Le terme nucléaire renvoie ici à la référence utilisée pour compter le temps : il ne s’agit pas d’une source d’énergie.
Navigation, gravité et recherche de matière noire
Une horloge nucléaire solide pourrait, à terme, associer une grande robustesse à une référence peu sensible aux perturbations, dans un format compact et potentiellement moins gourmand en énergie. La miniaturisation intéresse déjà les concepteurs d’horloges atomiques, comme le montre cette horloge atomique miniature destinée aux drones et aux satellites. Si les dispositifs au thorium tiennent leurs promesses, ils pourraient notamment servir à la navigation lorsque le GPS est indisponible, à la synchronisation des réseaux et aux télécommunications. Ces applications restent toutefois lointaines.
La géodésie pourrait également en bénéficier. Selon la relativité générale, une horloge placée un peu plus haut dans le champ gravitationnel terrestre avance légèrement plus vite. Des instruments suffisamment précis permettent ainsi de mesurer de petites différences d’altitude ou de rechercher des variations de densité souterraine.
Le noyau du thorium ne réagit pas exactement aux mêmes forces que les transitions électroniques. Comparer une horloge nucléaire à une horloge atomique offrirait donc un moyen de rechercher une dérive éventuelle des constantes fondamentales, de tester certains modèles de matière noire ou de sonder de nouvelles interactions. Une différence périodique entre les deux références pourrait signaler un phénomène que l’une d’elles ne détecterait pas seule.
