Une équipe de recherche du National Institute of Standards and Technology (NIST) a récemment construit l'horloge la plus précise au monde. Alimentée par un seul ion aluminium en son cœur, la nouvelle horloge atomique optique permet des mesures de temps extrêmement précises, avec une incertitude de fréquence fractionnaire aussi faible que 5,5 × 10⁻¹⁹, ce qui signifie qu'elle prend une seconde plus rapide ou plus lente que l'âge de l'univers. Dans le même temps, la stabilité de fréquence fractionnaire de l’horloge atteint 3,5 × 10⁻¹⁶/√τ secondes, soit 2,6 fois plus élevée que celle des autres horloges ioniques actuelles.

(De gauche à droite) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dvorak et Daniel Rodriguez-Castillo se tiennent devant l'horloge atomique à ions aluminium de l'Institut national des normes et de la technologie. Après de récentes améliorations, l’horloge atomique ouvrira non seulement la voie à une redéfinition de la seconde, mais permettra également de nouvelles explorations en physique.

Les horloges atomiques optiques sont jugées sur leur précision (à quel point elles sont proches de l'heure « vraie ») et sur leur stabilité (cohérence des mesures). L'atteinte de ce record est due aux 20 années de recherche, de développement et d'optimisation continues de l'équipe sur le laser, le piège à ions et la cavité sous vide de l'horloge atomique à ions d'aluminium. "C'est passionnant de participer au développement des horloges les plus précises", a déclaré Mason Marshall, chercheur au NIST et premier auteur de l'article.

L'horloge est basée sur des mesures de spectroscopie logique quantique d'un seul ion ²⁷Al⁺, avec un ion ²⁵Mg⁺ piégé à l'intérieur pour aider au « refroidissement homomorphe » et à la lecture de l'état de l'ion aluminium. Le « battement » de l’aluminium est extrêmement stable et a un impact minimal sur la température et le champ magnétique. Il convient très bien à la mesure du temps, mais le contrôle laser est difficile. Les ions magnésium sont plus faciles à contrôler, ils sont donc utilisés pour faciliter le refroidissement et permettre aux chercheurs de lire indirectement le signal des ions aluminium.

Les innovations importantes de l'équipe de recherche incluent l'extension du temps de détection de Rabi à 1 seconde, obtenue en transmettant de manière stable la lumière laser d'une cavité de silicium ultra-froide à distance du laboratoire JILA au laboratoire de l'équipe NIST (à 3,6 kilomètres). Cette technologie réduit l’instabilité de l’horloge d’environ un tiers par rapport aux précédentes horloges aluminium-ion.

David Hume, physicien au National Institute of Standards and Technology (NIST), tient un piège à ions récemment modifié pour une horloge à ions en aluminium. En modifiant le piège, les ions aluminium et leurs particules partenaires d'ions magnésium peuvent continuer à s'éloigner sans être dérangés.

En outre, l’équipe a également conçu une nouvelle conception du piège à ions afin de réduire les micro-mouvements redondants (ces minuscules mouvements inattendus affecteront la précision du timing) ; ils ont sélectionné des plaquettes de diamant plus épaisses et ajusté le revêtement métallique des électrodes pour corriger le déséquilibre du champ électrique. La chambre à vide a également été améliorée en alliage de titane et la quantité d'hydrogène de fond a été réduite de 150 fois, ce qui prolonge considérablement le temps de « maintien » des ions dans l'appareil et réduit l'erreur de collision des molécules d'hydrogène.

L’équipe a également effectué des mesures de sensibilité de la direction du champ magnétique alternatif dans le piège radiofréquence, éliminant ainsi l’incertitude provoquée par l’orientation du champ magnétique.

Un nouveau piège à ions amélioré pour l'horloge à ions en aluminium du National Institute of Standards and Technology (NIST). L'encart montre une image CCD d'une paire d'ions aluminium-magnésium. Le cercle marque l'emplacement de l'ion aluminium - cet ion est sombre pour la caméra car il ne peut être lu que par spectroscopie logique quantique via les ions magnésium.

Diverses innovations permettent à l'horloge d'atteindre une précision de 19 décimales en 36 heures environ, au lieu de trois semaines dans le passé. Willa Arthur-Dworschack, étudiante diplômée du NIST, a déclaré : "Avec cette plate-forme, nous explorerons de nouvelles structures d'horloges multi-ioniques et même d'ions intriqués pour améliorer encore les capacités de mesure."

Cette avancée devrait redéfinir la longueur de la « seconde » avec une plus grande précision et ouvrir de nouvelles perspectives dans les domaines des sciences de la Terre et de la physique fondamentale, y compris sur des questions scientifiques fondamentales telles que la vérification de la réalité des constantes de la nature.