Des scientifiques de la JILA ont mis au point une horloge atomique ultra-précise, portant la précision du chronométrage à des niveaux sans précédent. Cette innovation, qui mesure le temps à l’aide d’ondes lumineuses visibles, pourrait transformer la navigation, révéler des ressources cachées et tester des théories fondamentales comme la relativité générale. (Concept d’artiste.) Crédit : SciTechDaily.com
Des chercheurs du JILA ont créé l’horloge atomique la plus précise jamais créée, utilisant la lumière visible pour mesurer le temps. Cette avancée pourrait redéfinir les normes de chronométrage et ouvrir de nouvelles perspectives en physique, facilitant à la fois l’exploration spatiale et l’informatique quantique.
Dans la quête incessante de l’humanité vers la perfection, des scientifiques ont créé une horloge atomique qui surpasse toutes les horloges précédentes en termes de précision et d’exactitude. Développée par des chercheurs du JILA, une institution conjointe du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université du Colorado à Boulder, cette nouvelle horloge représente une avancée significative dans la technologie du chronométrage.
Permettant une navigation précise dans l’immensité de l’espace et la recherche de nouvelles particules, cette horloge est la dernière à dépasser le simple chronométrage. Grâce à leur précision accrue, ces horloges de nouvelle génération pourraient révéler des gisements minéraux souterrains cachés et tester des théories fondamentales telles que la relativité générale avec une rigueur sans précédent. Pour les architectes d’horloges atomiques, il ne s’agit pas seulement de construire une meilleure horloge ; il s’agit de percer les secrets de l’univers et d’ouvrir la voie à des technologies qui façonneront notre monde pour les générations à venir.
La communauté scientifique mondiale envisage de redéfinir la seconde, l’unité internationale de temps, en s’appuyant sur ces horloges atomiques optiques de nouvelle génération. Les horloges atomiques de la génération actuelle projettent des micro-ondes sur les atomes pour mesurer la seconde. Cette nouvelle vague d’horloges illumine les atomes avec des ondes de lumière visible, qui ont une fréquence beaucoup plus élevée, pour compter la seconde avec beaucoup plus de précision. Par rapport aux horloges à micro-ondes actuelles, les horloges optiques devraient offrir une précision bien supérieure pour le chronométrage international, avec une perte potentielle d’une seconde seulement tous les 30 milliards d’années.
Mais avant que ces horloges atomiques puissent fonctionner avec une telle précision, elles doivent avoir une très grande précision ; en d’autres termes, elles doivent être capables de mesurer des fractions de seconde extrêmement infimes. Atteindre à la fois une grande précision et une grande exactitude pourrait avoir de vastes implications.
Prisonnier du temps
La nouvelle horloge JILA utilise un réseau de lumière appelé « réseau optique » pour piéger et mesurer simultanément des dizaines de milliers d’atomes individuels. Le fait de disposer d’un ensemble aussi vaste offre un énorme avantage en termes de précision. Plus le nombre d’atomes mesurés est élevé, plus l’horloge dispose de données pour fournir une mesure précise à la seconde près.
Un gaz extrêmement froid d’atomes de strontium est piégé dans un réseau de lumière appelé réseau optique. Les atomes sont maintenus dans un environnement à vide ultra-élevé, ce qui signifie qu’il n’y a presque pas d’air ou d’autres gaz présents. Ce vide permet de préserver les états quantiques délicats des atomes, qui sont fragiles. Le point rouge que vous voyez sur l’image est un reflet de la lumière laser utilisée pour créer le piège à atomes. Crédit : K. Palubicki/NIST
Pour atteindre de nouveaux records de performance, les chercheurs du JILA ont utilisé un « réseau » de lumière laser moins profond et plus doux pour piéger les atomes, par rapport aux horloges à réseau optique précédentes. Cela a permis de réduire considérablement deux sources d’erreur majeures : les effets de la lumière laser qui piège les atomes et les atomes qui se heurtent les uns aux autres lorsqu’ils sont trop serrés.
Les chercheurs décrivent leurs avancées dans Lettres d’examen physique.
La relativité à la plus petite échelle
« Cette horloge est si précise qu’elle peut détecter des effets minuscules prédits par des théories telles que la relativité générale, même à l’échelle microscopique », a déclaré Jun Ye, physicien au NIST et au JILA. « Elle repousse les limites du possible en matière de chronométrage. »
La relativité générale est la théorie d’Einstein qui décrit comment la gravité est causée par la déformation de l’espace et du temps. L’une des principales prédictions de la relativité générale est que le temps lui-même est affecté par la gravité : plus le champ gravitationnel est fort, plus le temps passe lentement.
Cette nouvelle conception d’horloge permet de détecter des effets relativistes sur le chronométrage à l’échelle submillimétrique, soit l’épaisseur d’un cheveu humain. Il suffit de relever ou d’abaisser l’horloge de cette distance minuscule pour que les chercheurs puissent discerner un changement infime dans l’écoulement du temps causé par les effets de la gravité.
Cette capacité à observer les effets de la relativité générale à l’échelle microscopique peut considérablement combler le fossé entre le domaine quantique microscopique et les phénomènes à grande échelle décrits par la relativité générale.
Navigation dans l’espace et avancées quantiques
Des horloges atomiques plus précises permettent également une navigation et une exploration plus précises dans l’espace. À mesure que les humains s’aventurent plus loin dans le système solaire, les horloges devront conserver une heure précise sur de vastes distances. Même de minuscules erreurs de chronométrage peuvent entraîner des erreurs de navigation qui augmentent de manière exponentielle à mesure que vous voyagez.
« Si nous voulons faire atterrir un vaisseau spatial sur Mars avec une précision extrême, nous aurons besoin d’horloges d’une précision bien supérieure à celle dont nous disposons aujourd’hui avec le GPS », a déclaré Ye. « Cette nouvelle horloge est une étape majeure vers la réalisation de cet objectif. »
Les mêmes méthodes utilisées pour piéger et contrôler les atomes pourraient également conduire à des avancées majeures dans le domaine de l’informatique quantique. Les ordinateurs quantiques doivent être capables de manipuler avec précision les propriétés internes des atomes ou des molécules individuels pour effectuer des calculs. Les progrès réalisés dans le contrôle et la mesure des systèmes quantiques microscopiques ont considérablement fait progresser cette entreprise.
En s’aventurant dans le domaine microscopique où se croisent les théories de la mécanique quantique et de la relativité générale, les chercheurs ouvrent la porte à de nouveaux niveaux de compréhension de la nature fondamentale de la réalité elle-même. Des échelles infinitésimales où le flux du temps est déformé par la gravité, aux vastes frontières cosmiques où règnent la matière noire et l’énergie noire, la précision exquise de cette horloge promet d’éclairer certains des mystères les plus profonds de l’univers.
« Nous explorons les frontières de la science de la mesure », a déclaré Ye. « Lorsque l’on peut mesurer des objets avec ce niveau de précision, on commence à voir des phénomènes sur lesquels nous n’avons pu jusqu’à présent que théoriser. »
Référence : « Clock with 8×10−19 Systematic Uncertainty » par Alexander Aeppli, Kyungtae Kim, William Warfield, Marianna S. Safronova et Jun Ye, 10 juillet 2024, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.023401
2024-07-23 08:56:15
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