« Les premiers prototypes seront bientôt disponibles »

Monde de la physique : Comment fonctionnent les horloges atomiques et nucléaires ?

Thorsten Schumm : Les horloges atomiques actuelles utilisent les transitions énergétiques des électrons dans la coquille d’un atome. Avec une horloge atomique, vous faites cela en stimulant une telle transition en résonance. Un faisceau laser de fréquence appropriée est envoyé à un atome spécifique afin que les électrons atteignent un état d’énergie plus élevé. Lorsque les électrons reviennent au niveau d’énergie inférieur, des particules lumineuses, c’est-à-dire des photons, sont libérées – généralement dans la gamme optique ou micro-ondes. Un circuit de rétroaction peut être utilisé pour créer une oscillation extrêmement stable pouvant être utilisée pour mesurer le temps. Avec une horloge nucléaire, vous faites essentiellement la même chose, sauf qu’au lieu de stimuler les électrons de la coquille, vous excitez le noyau atomique lui-même.

Quels avantages cela apporte-t-il ?

Un noyau atomique est plusieurs fois plus petit que l’atome entier, ce qui le rend beaucoup moins sensible aux perturbations externes telles que les champs électriques ou magnétiques. De plus, les transitions du noyau sont extrêmement nettes, ce qui signifie qu’on peut s’attendre à une très grande précision. L’espoir est désormais d’utiliser les horloges centrales pour améliorer encore la précision de la mesure du temps par rapport aux horloges atomiques actuelles. Cela permettrait de réaliser des tests très précis sur les principes fondamentaux de la physique et éventuellement de clarifier des questions en suspens, par exemple celle de savoir si les constantes naturelles sont réellement aussi constantes qu’on le suppose.

Comment stimuler une telle transition nucléaire ?

La grande majorité des transitions nucléaires se situent dans la gamme des rayons X et gamma et vont donc bien au-delà de ce qui pourrait être exploité avec la technologie laser conventionnelle. Mais il existe un noyau atomique spécial de l’élément thorium, l’isotope thorium-229, qui présente une transition nucléaire d’énergie inhabituellement basse. Ainsi, une transition nucléaire peut être stimulée à l’aide d’un rayonnement UV – bien inférieur aux rayons X ou au rayonnement gamma – dans lequel un neutron du noyau change d’état.

Quels progrès ont été réalisés à cet égard ces dernières années ?

A l’origine, seule l’énergie approximative de cette transition était connue. Cette mesure a été réalisée au centre de recherche du CERN en Suisse. Un noyau atomique différent et instable a d’abord été créé, qui s’est ensuite désintégré dans l’état excité du thorium-229. Lorsque le thorium a été désexcité jusqu’à l’état fondamental, il a été possible de mesurer grossièrement les photons émis pendant cette transition. Cela correspondait à une précision d’environ trois décimales et était encore beaucoup trop vague pour les besoins d’une horloge centrale. Mais il nous a montré le domaine sur lequel nous devons nous pencher pour stimuler très précisément cette transition nucléaire. En collaboration avec des collègues allemands et américains, nous avons ensuite scanné intensivement cette zone avec un système laser pendant plus d’un an. Nous avons désormais pu identifier la transition avec précision à douze décimales.

Est-ce suffisant pour une horloge centrale ?

Bien sûr, vous voulez être aussi précis que possible. Maintenant que nous avons montré que le concept fonctionne, de nombreux autres groupes mettront le tout en œuvre en termes d’ingénierie. Les choses peuvent être optimisées à de nombreux endroits. Je m’attends à ce que la transition soit déterminée peut-être de deux ordres de grandeur plus précisément. Une certaine course a désormais commencé en ce qui concerne les systèmes laser correspondants. Par exemple, nous avons travaillé avec des lasers pulsés spéciaux. Mais pour une horloge, vous avez besoin d’un laser à onde continue qui se déclenche sans interruption.

Quelles sont les principales difficultés du système laser ?

Je dois d’abord dire que lors de la construction d’une horloge centrale, nous pouvons nous appuyer sur les grands développements des horloges atomiques. Toutes les méthodes permettant de générer des faisceaux laser à fréquence stable et de les utiliser comme rétroaction pour une horloge sont le résultat de décennies de travail de développement. Mais ces systèmes laser fonctionnent tous à des fréquences plus basses, alors qu’avec le thorium, il faut travailler dans l’ultraviolet. Pour atteindre ces énergies, nous avons dû utiliser une horloge laser atomique stable en fréquence, de l’infrarouge à l’ultraviolet.

Comment était-ce possible ?

Nous avons réalisé nos expériences dans le laboratoire de l’US Metrology Institute NIST à Boulder. L’astuce consistait à créer ce qu’on appelle des harmoniques élevées. Cela consiste à projeter une impulsion laser très intense et basse fréquence sur un gaz inerte. L’oscillation laser stimule également l’oscillation des électrons du gaz. Tout comme une corde de guitare jouée avec netteté, non seulement la vibration fondamentale est stimulée, mais aussi les harmoniques. Celles-ci sont à un multiple de la fréquence d’origine. Dans ce cas nous nous sommes intéressés à la septième harmonique car elle était dans l’ultraviolet à la fréquence appropriée. Nous les avons filtrés à travers un prisme et les avons envoyés sur un cristal de thorium. Cela nous a permis de mesurer la jonction nucléaire thorium-229 avec une grande précision.

Quand attendez-vous les premières horloges de base ?

Grâce à nos mesures de ces dernières années, la zone a connu un essor majeur. Les premiers prototypes devraient bientôt arriver. Il s’agit désormais essentiellement de développements technologiques – la faisabilité fondamentale n’est plus remise en question.