Les scientifiques se rapprochent de l’ultr longtemps théorisé

De nouvelles sources lumineuses ont permis d’explorer de nouvelles méthodes d’alimentation d’une horloge nucléaire. Les travaux menés par les chercheurs d’Argonne ouvrent désormais la voie à ce garde-temps autrefois théorique.

Depuis des décennies, l’outil de référence standard pour un chronométrage ultra précis est l’horloge atomique. Les scientifiques savaient qu’une montre encore plus précise et fiable était possible, mais les limitations techniques n’en ont fait qu’une perspective théorique.

Aujourd’hui, des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), de la Texas A&M University et de plusieurs institutions européennes mettent la théorie en pratique. L’équipe a utilisé Faisceaux de rayons X pour exciter un état nucléaire à longue durée de vie dans le scandium-45, un élément utilisé dans les composants aérospatiaux et les équipements sportifs. Le travail était Publié dans Nature et représente le point culminant d’une longue quête scientifique du chercheur principal Yuri Shvyd’ko d’Argonne.

Une horloge atomique et une horloge nucléaire peuvent sembler fondamentalement identiques, mais il existe des différences dans leur fonctionnement. Les horloges atomiques oscillent en fonction de quantum transition qui se produit lorsqu’un électron à l’intérieur d’un atome est transféré d’un niveau d’énergie à un autre à une fréquence très précise. Avec une précision d’environ une seconde toutes les 300 millions d’années, c’est plus que suffisant pour servir de référence temporelle principale pour la navigation GPS, les réseaux informatiques et la plupart des autres activités humaines.

“Pour les objectifs qui exigent une telle précision, notamment l’étude de certains aspects de la relativité, de la théorie gravitationnelle et d’autres phénomènes physiques tels que la matière noire, l’horloge nucléaire est la montre ultime.” — Olga Kocharovskaya, Université A&M du Texas

Une horloge nucléaire est basée sur l’oscillation naturelle du noyau beaucoup plus petit situé au centre même d’un atome, plutôt que sur le grand nuage d’électrons tourbillonnant autour de lui. Les horloges nucléaires sont beaucoup plus immunisées contre les perturbations telles que les changements de température ou les champs électromagnétiques qui peuvent gâcher la remarquable précision d’une horloge atomique. Cela offre une précision encore plus élevée sous une forme beaucoup plus stable.

“Pour les objectifs qui exigent une telle précision, y compris l’étude de certains aspects de la relativité, de la théorie gravitationnelle et d’autres phénomènes physiques tels que la matière noire, l’horloge nucléaire est la montre ultime”, a déclaré Olga Kocharovskaya de la Texas A&M University, co-auteur de l’étude. le papier.

Jusqu’à présent, l’un des obstacles à la réalisation d’une véritable horloge nucléaire était que les sources de rayons X existantes n’étaient pas tout à fait capables de fournir l’impulsion nécessaire pour faire osciller un noyau et ensuite le détecter. Un autre problème a été l’identification d’un bon noyau candidat. Le plus prometteur est généralement considéré comme le thorium-229.

Le Scandium-45 a longtemps été considéré comme un autre candidat prometteur, depuis que les scientifiques d’Argonne ont découvert la durée de vie relativement longue de son état excité en 1964. Cependant, sans aucun moyen d’exciter les oscillations, le matériau a disparu des radars pendant des décennies. En 1990, Shvyd’ko – qui travaillait alors dans un institut à Moscou – et ses collègues ont publié un article montrant que de nouvelles sources de lumière à rayons X basées sur des accélérateurs pourraient être utilisées pour alimenter les oscillations.

“Dans cet article, nous avons montré que des sources lumineuses pouvaient être utilisées”, a déclaré Shvyd’ko. “Malgré le fait qu’il s’agisse de sources à large bande, elles peuvent être utilisées pour exciter et piloter cette résonance, et on pourrait également mesurer la largeur très étroite de la résonance.

L’une de ces sources de lumière est l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Argonne, qui a vu sa première lumière en 1995. Mais même les faisceaux de rayons X de l’APS n’ont pas l’intensité requise pour accomplir la tâche. Il a fallu l’avènement récent de sources avancées de laser à électrons libres (XFEL), telles que l’installation européenne XFEL (EuXFEL) à Hambourg, en Allemagne, pour transformer la théorie en réalité.

« Trouver la résonance nucléaire au sein du scandium 45 a nécessité une source de faisceaux de rayons X de très haute intensité ainsi qu’un protocole spécialement conçu pour une détection de fond à très faible bruit. Ces deux éléments ont été réalisés à l’EuXFEL », a déclaré Ralf Röhlsberger de l’Institut Helmholtz de Jena en Allemagne, co-auteur de l’article.

Trouver la bonne énergie de résonance a nécessité un réglage scrupuleux de l’énergie des rayons X jusqu’à ce que les photons révélateurs de la désintégration nucléaire – qui agissent comme une signature de la résonance – soient trouvés.

“Nous avons confirmé la détection d’environ 93 événements de désintégration nucléaire avec un niveau de confiance élevé”, a déclaré Peifan Liu d’Argonne, co-auteur de l’article. “Simultanément, l’énergie de résonance a été déterminée avec précision, avec une précision 250 fois supérieure à celle connue auparavant.”

Pris ensemble, ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour révolutionner les sondes hautement sensibles de propriétés naturelles comme la gravité et permettre des tests de physique fondamentale qui reposent sur la mesure du temps ou de la fréquence avec la plus grande précision, ont déclaré les chercheurs.

Le succès de cette expérience constitue une étape importante dans la réalisation du potentiel de longue date d’une horloge nucléaire au scandium-45. Mais ce n’est que le début d’un long voyage, qui nécessitera de nouvelles avancées dans les études détaillées de la résonance et le développement de sources de rayons X encore plus avancées.

À propos de la source de photons avancée

La source de photons avancée (APS) du Département américain de l’énergie, située au Laboratoire national d’Argonne, est l’une des installations de source de lumière à rayons X les plus productives au monde. L’APS fournit des faisceaux de rayons X à haute luminosité à une communauté diversifiée de chercheurs dans les domaines de la science des matériaux, de la chimie, de la physique de la matière condensée, des sciences de la vie et de l’environnement et de la recherche appliquée. Ces rayons X sont parfaitement adaptés à l’exploration des matériaux et des structures biologiques ; distribution élémentaire; états chimiques, magnétiques, électroniques ; et un large éventail de systèmes d’ingénierie technologiquement importants, depuis les batteries jusqu’aux pulvérisateurs d’injecteurs de carburant, qui constituent tous les fondements du bien-être économique, technologique et physique de notre pays. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l’APS pour produire plus de 2 000 publications détaillant des découvertes marquantes et résoudre davantage de structures protéiques biologiques vitales que les utilisateurs de tout autre centre de recherche sur les sources de lumière à rayons X. Les scientifiques et ingénieurs de l’APS innovent dans une technologie qui est au cœur de l’avancement des opérations des accélérateurs et des sources de lumière. Cela inclut les dispositifs d’insertion qui produisent des rayons X d’une luminosité extrême prisés par les chercheurs, des lentilles qui concentrent les rayons X jusqu’à quelques nanomètres, des instruments qui maximisent la façon dont les rayons X interagissent avec les échantillons étudiés, et des logiciels qui rassemblent et gère la quantité massive de données issues de la recherche découverte à l’APS.

Cette recherche a utilisé les ressources de Advanced Photon Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE des États-Unis, exploitée pour le Bureau des sciences du DOE par le Laboratoire national d’Argonne sous le contrat n° DE-AC02-06CH11357.

Laboratoire National d’Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en matière de science et de technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d’Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d’entreprises, d’universités et d’agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, à faire progresser le leadership scientifique américain et à préparer la nation à un avenir meilleur. Avec des employés de plus de 60 pays, Argonne est dirigée par UChicago Argonne, LLC pour le Office of Science du Département américain de l’énergie.

Office of Science du Département américain de l’énergie est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.