Résumé :
Des chercheurs du Centre de technologie quantique de l'Université nationale de Singapour ont récemment annoncé un progrès important dans le domaine des horloges atomiques. Ils ont utilisé l'élément de terre rare lutécium pour créer un nouveau type d'horloge atomique optique, et grâce à une comparaison précise entre deux horloges atomiques du même type, l'incertitude du système a été réduite à 1,2×10⁻¹⁹. L'équipe de recherche estime que ce résultat fait de l'horloge atomique au lutétium l'un des dispositifs de chronométrage les plus précis actuellement disponibles et qu'elle devrait devenir à l'avenir une technologie candidate pour redéfinir la « seconde » dans le Système international d'unités.
Cette étude intervient alors que la communauté mondiale de la métrologie se demande si la définition de base du terme « seconde » doit être redéfinie. Une seconde dans le Système international d'unités actuel est définie sur la base de la fréquence de transition entre les deux niveaux d'énergie hyperfine de l'état fondamental de l'atome de césium 133, soit 9 192 631 770 transitions micro-ondes spécifiques. Le césium est le matériau de base des horloges atomiques depuis les années 1960, mais avec le développement rapide de la technologie des horloges atomiques optiques, la prochaine génération d'horloges atomiques fabriquées à partir d'éléments tels que le strontium, l'ytterbium et le calcium a pu atteindre une précision bien supérieure à celle des horloges atomiques traditionnelles au césium.
Le principe de base des horloges atomiques optiques consiste à utiliser des lasers pour contrôler avec précision les électrons dans les atomes, provoquant ainsi la transition des électrons entre deux états quantiques, et à mesurer le timing en mesurant la fréquence de cette transition. La transition quantique des électrons peut être comprise comme un « pendule » extrêmement stable. Tant que cette oscillation peut être contrôlée et mesurée avec suffisamment de précision, une base de temps exceptionnellement précise peut être obtenue.
Le lutétium intéresse les chercheurs car cet élément possède certaines propriétés qui le rendent idéal pour construire des horloges atomiques de haute précision. Le lutétium est un élément lanthanide doté d’une grande masse atomique et sa structure électronique le rend relativement moins affecté par les facteurs environnementaux. En particulier, il n'est pas sensible aux changements de rayonnement thermique et de champ magnétique, ce qui permet de réduire les erreurs systématiques causées par des facteurs environnementaux dans le processus de synchronisation.
Les chercheurs ont déclaré que cette caractéristique de l'horloge atomique au lutétium signifie que même si la température ambiante change de manière significative ou si les conditions du champ magnétique changent, l'horloge atomique peut toujours maintenir des performances de synchronisation relativement stables. Murray Barrett, chef de l'équipe de recherche et physicien à l'Université nationale de Singapour, a même déclaré que si cette horloge atomique était amenée d'un environnement à température extrêmement élevée comme la Vallée de la Mort aux États-Unis à un environnement à température extrêmement basse comme le plateau antarctique, elle pourrait toujours maintenir une très grande stabilité.
Le lutécium présente également un avantage très important : sa fréquence de transition atomique associée est très élevée, environ 10 000 fois la fréquence utilisée par les horloges atomiques au césium. Une fréquence de « tick » plus élevée signifie que davantage de cycles de mesure peuvent être obtenus par unité de temps, fournissant ainsi la base d'une mesure du temps d'une précision extrêmement élevée.
Cependant, le lutécium est également l'un des éléments de terres rares les plus rares sur Terre, et c'est également un élément relativement peu étudié. Cela signifie que bien qu’en théorie il soit bien adapté comme matériau pour une horloge atomique, les scientifiques n’ont pas entièrement compris comment les atomes de lutétium se comportent réellement dans un environnement de mesure du temps de haute précision.
L'équipe de Murray Barrett travaille sur les horloges atomiques au lutétium depuis environ 10 ans. Dans la dernière expérience, les chercheurs ont construit deux horloges atomiques à ions lutétium et les ont comparées selon des normes métrologiques strictes. Grâce à des années de données expérimentales accumulées et de recherches approfondies sur les caractéristiques des ions lutétium eux-mêmes, l’équipe a finalement réduit l’incertitude du système à 1,2×10⁻¹⁹.
Ce nombre représente l'échelle d'erreur systématique qu'une horloge atomique peut avoir lors de la mesure de sa propre fréquence. Pour comprendre à quel point cette précision est élevée, considérez-la comme une infime fraction de l'incertitude par 10¹⁹ unités de temps. Auparavant, des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences utilisaient cette année des horloges atomiques à ions calcium pour atteindre une incertitude système de 4,4×10⁻¹⁹, de sorte que le 1,2×10⁻¹⁹ annoncé par l'équipe singapourienne a encore actualisé cet indicateur.
Cependant, mesurer la précision des horloges atomiques est également une tâche extrêmement difficile. Après avoir atteint ce niveau, même les différences dans la gravité terrestre ne peuvent plus être ignorées. Selon la relativité générale, plus la force de gravité est forte, plus le temps passe lentement. À ce niveau de précision, même une différence de hauteur de quelques millimètres seulement entre deux horloges atomiques pourrait produire une différence de temps suffisamment importante pour affecter les résultats expérimentaux en raison de leurs différentes distances par rapport au noyau terrestre.
En d'autres termes, lorsque les scientifiques découpent une seconde en milliards ou en tranches de temps extrêmement petites, les différences gravitationnelles extrêmement faibles entre différents endroits de la surface de la Terre peuvent devenir des variables importantes dans l'expérience. Par conséquent, le laboratoire d’horloge atomique doit non seulement contrôler des conditions telles que la température, le champ magnétique, le laser, etc., mais doit également mesurer la position et la hauteur des deux horloges avec une extrême précision.
Et cette incroyable sensibilité est précisément l’une des valeurs scientifiques les plus importantes de la prochaine génération d’horloges atomiques. Le temps étant affecté par les champs gravitationnels, si les horloges atomiques sont suffisamment précises, les scientifiques peuvent même mesurer des différences extrêmement minimes de gravité en comparant les changements de temps à différents endroits. Cette capacité pourrait être utilisée à l'avenir pour des mesures précises de la Terre, telles que l'étude des structures souterraines, des changements géologiques et des changements subtils du champ gravitationnel terrestre.
Plus important encore, des horloges atomiques de très haute précision peuvent également être utilisées dans la recherche en physique fondamentale. Les scientifiques espèrent utiliser ces appareils pour rechercher les contradictions non résolues entre la relativité générale et la mécanique quantique et pour explorer une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Par exemple, si certains paramètres considérés comme des constantes fondamentales dans la nature changent en réalité extrêmement légèrement au fil du temps ou de l’environnement, alors une horloge atomique suffisamment précise pourrait être capable de capturer cette anomalie.
Dans le même temps, les nouvelles horloges atomiques optiques favorisent également les changements dans le système métrologique international. Alors que diverses horloges atomiques telles que le strontium, l'ytterbium, les ions aluminium, les ions calcium et le lutétium continuent d'établir des records de précision, la communauté scientifique internationale étudie si la définition actuelle de la « seconde », basée sur la transition micro-onde des atomes de césium, devrait être remplacée à l'avenir par des étalons de fréquence optique.
Par rapport aux horloges atomiques au césium traditionnelles, la fréquence de fonctionnement des horloges atomiques optiques est plusieurs ordres de grandeur plus élevée, elle peut donc en théorie fournir une référence temporelle plus précise. Si la communauté métrologique internationale décide de redéfinir la « seconde » à l’avenir, ces horloges atomiques optiques deviendront des technologies candidates importantes.
L'équipe singapourienne estime que l'horloge atomique au lutétium a un potentiel particulier car elle peut non seulement atteindre une précision extrêmement élevée, mais est également relativement moins sensible aux changements de l'environnement externe, ce qui signifie qu'il est possible de créer à l'avenir un système de synchronisation de haute précision plus stable et plus pratique.
Bien sûr, 1,2×10⁻¹⁹ reste l'incertitude du système obtenue dans des conditions de laboratoire, et cela ne signifie pas que cette horloge atomique peut maintenir exactement les mêmes performances dans n'importe quel environnement. Les chercheurs doivent également effectuer davantage de mesures et de validations croisées dans différentes conditions pour confirmer davantage ce record et continuer à réduire d’éventuelles erreurs systématiques.
L'équipe de recherche estime qu'à mesure que l'expérience se poursuit, il est possible d'améliorer encore la précision de l'horloge atomique au lutétium. Le chef d'équipe Murray Barrett estime même qu'à en juger par le parcours technique actuel, il sera difficile de trouver une solution qui puisse facilement surpasser cette architecture à l'avenir.
Cette recherche a été publiée dans la revue Nature. Si des expériences ultérieures permettent de vérifier davantage les performances de l’horloge atomique au lutétium, elle pourrait non seulement devenir un candidat important pour la prochaine génération de références temporelles mondiales, mais également devenir un nouvel outil pour étudier la gravité, la matière noire et les lois physiques fondamentales. En d’autres termes, cet appareil qui semble simplement « compter l’heure avec plus de précision » pousse en réalité la capacité de l’humanité à mesurer les lois fondamentales de l’univers à une échelle sans précédent.
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