Résumé :
Des chercheurs de l'Université technique de Vienne et de l'Institut fédéral allemand de physique et de technologie ont publié des résultats expérimentaux dans Nature, démontrant le premier prototype d'horloge nucléaire capable de corriger automatiquement la fréquence laser à l'aide de son propre signal de transition nucléaire. Il utilise la transition de niveau d'énergie du noyau atomique du thorium-229 comme référence temporelle, et le dispositif expérimental fonctionne de manière stable depuis plus de 24 heures sans intervention manuelle. Cependant, la « différence d'une seconde sur 30 millions d'années » dans le rapport est une conversion d'image de l'indice de précision. Cela ne signifie pas que l’horloge a été mesurée pendant des dizaines de millions d’années, ni que cet appareil a atteint le plus haut niveau actuellement disponible.
Les horloges atomiques traditionnelles utilisent généralement les transitions de niveau d'énergie des électrons dans la couche externe des atomes pour conserver l'heure ; les horloges nucléaires placent le signal de référence à l’intérieur du noyau. Le thorium-229 a une transition nucléaire de faible énergie d'environ 8,4 électrons-volts, qui peut être excitée par un laser ultraviolet sous vide d'une longueur d'onde d'environ 148 nanomètres. L'équipe de recherche a intégré des ions thorium dans des cristaux de fluorure de calcium de taille millimétrique, les a irradiés avec une lumière laser continue à température ambiante et a mesuré l'absorption de la lumière laser par le cristal pour déterminer si la fréquence s'écartait du point de résonance, puis a utilisé une boucle de rétroaction pour ajuster automatiquement la lumière laser. Les modifications du signal d’absorption de transition nucléaire peuvent être détectées plus rapidement, surmontant ainsi les difficultés précédentes liées à la lecture de la fluorescence et à la lenteur du feedback.
L'équipe a déclaré que l'avantage potentiel de cette solution est que le noyau atomique est beaucoup plus petit que l'atome dans son ensemble et est théoriquement moins sensible aux perturbations externes ; à l’avenir, les horloges nucléaires devraient atteindre une référence de fréquence plus robuste et être utilisées pour mesurer et tester avec précision les lois physiques fondamentales. Cependant, les performances mesurées du prototype actuel sont encore loin d’être meilleures que celles des horloges atomiques optiques les plus avancées. L'article rapporte que l'instabilité de fréquence fractionnaire dans une seule opération continue est de l'ordre faible de 10⁻¹⁴ et que la reproductibilité de fréquence entre des opérations à des dates différentes est d'environ 5 × 10⁻¹³. Après conversion intuitive des résultats papier, l'American Physical Society estime que l'instabilité mesurée de l'horloge de Vienne équivaut approximativement à une erreur d'une seconde toutes les 3 millions d'années. L'Université technique de Vienne l'estime à environ 30 millions d'années par seconde en utilisant un indicateur proche de 10⁻¹⁵. Les indicateurs et conditions de fonctionnement correspondant aux deux conversions ne sont pas exactement les mêmes, donc « une seconde en 30 millions d'années » ne doit pas être considérée comme une précision absolue prouvée ou directement équivalente à la meilleure horloge atomique.
L'équipe de recherche a utilisé cet ensemble d'horloges nucléaires pour rechercher des changements dans l'énergie de transition nucléaire qui pourraient être provoqués par la matière noire ultralégère. Aucun signal significatif n'a été trouvé sur l'échelle de temps d'observation de 20 secondes à un jour, mais les limites qui en découlent peuvent rivaliser avec certaines expériences d'horloge atomique. Le même numéro de Nature a également publié un autre ensemble d'horloges nucléaires au thorium-229 développées indépendamment par une équipe de l'Université Tsinghua, montrant que cette direction évolue de la mesure du spectre de transition nucléaire vers de véritables dispositifs de chronométrage. Les deux prototypes sont encore des équipements expérimentaux de précision, et les améliorations ultérieures nécessiteront des lasers ultraviolets sous vide plus puissants, des cristaux plus stables et uniformes et une meilleure reproductibilité de fréquence entre les lots.
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