Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape décisive vers une nouvelle génération d’horloges atomiques plus précises. Au laser à rayons X européen XFEL, les chercheurs ont créé un générateur d'impulsions plus précis basé sur l'élément scandium qui peut être précis à une seconde près en 300 milliards d'années, ce qui est environ mille fois plus précis que l'horloge atomique standard actuelle à base de césium. L'équipe a présenté ses résultats le 27 septembre dans la revue Nature.

Représentation artistique d'une horloge nucléaire au scandium : les scientifiques ont utilisé des impulsions de rayons X du XFEL européen pour stimuler un processus dans le noyau du scandium qui génère un signal d'horloge avec une précision sans précédent d'une seconde en 300 milliards d'années. Source : Institut européen XFEL/Helmholtz Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

Mécanismes actuels de l'horloge atomique

Les horloges atomiques sont actuellement les chronométreurs les plus précis au monde. Ces horloges utilisent les électrons des couches atomiques d’éléments chimiques, comme le césium, comme générateurs d’impulsions pour définir le temps. Ces électrons peuvent être propulsés à des niveaux d’énergie plus élevés en utilisant des micro-ondes de fréquences connues. Ce faisant, ils absorbent le rayonnement micro-ondes.

L'horloge atomique émet des micro-ondes sur les atomes de césium et ajuste la fréquence du rayonnement pour maximiser l'absorption des micro-ondes ; les experts appellent cela la résonance. Les oscillateurs à quartz qui génèrent des micro-ondes peuvent être stabilisés à l’aide de la résonance, ce qui permet aux horloges au césium d’être précises à la seconde près pendant 300 millions d’années.

La largeur de résonance utilisée est cruciale pour la précision d’une horloge atomique. Les horloges atomiques au césium actuelles utilisent déjà des résonances très étroites ; les horloges atomiques au strontium sont encore plus précises, avec une précision d’une seconde seulement tous les 15 milliards d’années. D'autres améliorations sont pratiquement impossibles à réaliser avec cette méthode d'excitation électronique. Ainsi, des équipes du monde entier travaillent depuis des années sur le concept d'horloges « nucléaires », qui utilisent les transitions dans les noyaux atomiques comme générateurs d'impulsions, plutôt que les transitions dans les coquilles atomiques. Les résonances nucléaires sont bien plus violentes que les résonances des électrons dans les coquilles atomiques, mais elles sont aussi plus difficiles à exciter.

Percée apportée par le scandium

Au XFEL européen, l'équipe peut désormais inspirer des transformations prometteuses dans les noyaux de l'élément scandium, qui est facilement disponible sous la forme de feuilles métalliques de haute pureté ou de dioxyde de scandium composé. Cette résonance nécessite des rayons X d'une énergie de 12,4 keV (environ 10 000 fois l'énergie de la lumière visible) et d'une largeur de seulement 1,4 femtoélectronvolts (feV). Cela représente 1,4 billionième d'électron-volt, soit environ un dixième de l'énergie d'excitation (10-19). Cela permet une précision de 1:10 000 000 000 000.

"Cela équivaut à une seconde en 300 milliards d'années", a déclaré Ralf Röhlsberger, chercheur à DESY, qui travaille à l'Institut Helmholtz de Jena, une institution commune du Centre Helmholtz GSI pour la recherche sur les ions lourds, du Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) et du Helmholtz Zentrum. .

Applications et potentiel futur

Les horloges atomiques ont de nombreuses applications qui bénéficient d’une précision accrue, comme un positionnement précis grâce à la navigation par satellite. "Le potentiel scientifique de la résonance du scandium a été découvert il y a plus de 30 ans", a rapporté Yuri Shvyd'ko, chef de projet de l'expérience et du Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis. "Cependant, jusqu'à présent, aucune source de rayons X n'a ​​été capable d'émettre une lumière suffisamment brillante dans la raie étroite de 1,4feV du scandium", a déclaré Anders Madsen, scientifique en chef de la station expérimentale européenne XFELMID où l'expérience a été menée. "Seuls les lasers à rayons X comme le XFEL européen ont changé cette situation."

Dans cette expérience révolutionnaire, l'équipe a illuminé une feuille de scandium de 0,025 mm d'épaisseur avec un laser à rayons X et a pu détecter la rémanence caractéristique émise par les noyaux excités, preuve claire des raies de résonance extrêmement étroites du scandium.

Une connaissance précise de l’énergie de résonance, c’est-à-dire de l’énergie du rayonnement laser à rayons X à laquelle se produit la résonance, est également importante pour la construction d’horloges atomiques. La suppression avancée du bruit extrême et l'optique cristalline haute résolution ont permis de déterminer la valeur de l'énergie de résonance du scandium dans l'expérience avec cinq décimales près à 12,38959 keV, ce qui est 250 fois plus précis qu'auparavant.

Jörg Evers, responsable de l'analyse des données à l'Institut Max Planck de physique nucléaire de Heidelberg, souligne : "La détermination précise de l'énergie de transition constitue une avancée majeure. Une connaissance précise de cette énergie est cruciale pour la réalisation d'horloges atomiques à base de scandium."

Les chercheurs explorent actuellement d’autres étapes vers la réalisation d’une telle horloge nucléaire. Shvyd’ko explique : « Les percées dans l’excitation par résonance du scandium et la mesure précise de son énergie ouvrent de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires, mais aussi pour la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux. »

Olga Kocharovskaya de l'Université A&M du Texas, aux États-Unis, initiatrice et responsable du projet financé par la National Science Foundation, a ajouté : « Une telle précision élevée pourrait permettre, par exemple, la détection de la dilatation gravitationnelle du temps à des distances submillimétriques. Cela aiderait à étudier les effets relativistes sur des échelles de longueur jusqu'ici inaccessibles. »