Les scientifiques découpent le temps avec des détails sans précédent. Récemment, deux équipes de recherche internationales ont construit en laboratoire une nouvelle « horloge nucléaire », qui utilise la vibration à haute fréquence du noyau atomique du thorium 229 pour mesurer le temps. Il est considéré comme une étape importante dans la technologie de mesure du temps.
Du comptage à l'observation du balancement d'un pendule en passant par l'utilisation de la vibration piézoélectrique produite par les cristaux de quartz sous l'action d'un champ électrique, les humains ont inventé diverses méthodes de chronométrage et leur précision s'améliore constamment. Depuis plus de soixante-dix ans, les horloges atomiques constituent la « référence » pour la mesure du temps, en s'appuyant sur la fréquence des transitions des électrons des atomes de césium entre différentes orbites.
Cependant, les électrons ne sont pas la seule partie d’un atome qui vibre régulièrement. Le noyau atomique lui-même subira également des « oscillations » similaires entre différents niveaux d’énergie, et les oscillations correspondent à une énergie plus élevée et à une fréquence plus rapide, ce qui signifie que davantage de « ticks » peuvent être entassés dans l’unité de temps, fournissant ainsi théoriquement une résolution temporelle plus élevée que les horloges atomiques traditionnelles.
Dès 2003, les chercheurs ont réalisé que la fréquence hypothétique de « transition nucléaire » d’un certain isotope du thorium pourrait se situer dans la plage que la technologie laser moderne peut couvrir, ce qui permettrait de l’exciter et de l’utiliser pour le chronométrage. Après cela, ils ont passé 13 ans pour enfin observer ce phénomène dans des expériences, et 12 autres années pour mesurer avec plus de précision la longueur d'onde spécifique de la lumière ultraviolette requise, préparant ainsi les paramètres clés pour construire une « horloge nucléaire » véritablement utilisable.
La vraie difficulté se situe au niveau de la mise en œuvre technique : pour transmettre dans l’atmosphère ce type de lumière ultraviolette profonde, facilement absorbée par les gaz, il est nécessaire de trouver un environnement solide qui puisse à la fois lier fermement le noyau du thorium-229 et faciliter l’irradiation lumineuse. Dans les deux derniers travaux expérimentaux, une équipe dirigée par Luca Toscani de Cole, chercheur au Centre de Vienne pour les sciences et technologies quantiques, et une équipe dirigée par Huang Beichen, physicien à l'Université Tsinghua, ont toutes deux choisi d'encapsuler des noyaux de thorium-229 dans des cristaux de fluorure de calcium, franchissant avec succès ce seuil technologique.
Afin de surmonter les défis expérimentaux restants, les deux équipes ont adopté des stratégies différentes : l'équipe de Huang Beichen a amélioré l'efficacité de l'excitation en augmentant la puissance du laser ultraviolet, tandis que l'équipe de Toscani de Cole a choisi d'augmenter la concentration de l'isotope thorium-229 dans le cristal pour augmenter l'intensité du signal. Les deux voies ont finalement conduit à des prototypes d’horloge nucléaire opérationnels, fournissant des preuves concrètes de l’oscillation du niveau d’énergie nucléaire pour devenir un dispositif de chronométrage pratique.
À l'heure actuelle, l'horloge atomique ionique la plus avancée de l'humanité peut pousser la précision du temps à 19 décimales, ce qui signifie qu'à l'échelle de l'âge de l'univers, leurs erreurs cumulées sont encore extrêmement faibles. La recherche théorique montre que les horloges nucléaires basées sur la transition nucléaire du thorium 229 devraient dépasser ce niveau et diviser le temps de manière plus détaillée.
Plus les tranches de temps sont fines, plus les scientifiques sont susceptibles de détecter des effets extrêmement faibles, tels que les effets subtils que la gravité et l’accélération exercent sur la structure de l’espace-temps. Les horloges de très haute précision constituent non seulement un outil puissant pour vérifier des théories telles que la relativité générale, mais fournissent également de nouveaux outils pour détecter d'éventuelles failles dans le modèle standard à des échelles extrêmement petites.
Pour tester les performances du nouvel appareil, l'équipe de Toscani de Cole a également utilisé l'horloge nucléaire pour rechercher des signes de matière noire de faible masse, dans l'espoir de capturer des indices sur l'interaction entre la matière noire et la matière ordinaire grâce à des changements anormalement minimes dans la fréquence temporelle. Si de telles expériences réussissent, elles devraient fournir des indices clés pour expliquer le fait qu’environ 85 % des composants de masse de l’univers n’ont pas encore été directement détectés.
Actuellement, les deux résultats sont publiés sur la plateforme arXiv sous forme de prépublications, et les détails et données expérimentaux sont divulgués. Il est prévisible qu'à mesure que les technologies connexes continuent de mûrir, les horloges nucléaires ouvriront de nouveaux espaces d'application dans les domaines de la recherche en physique fondamentale, des systèmes de navigation, des mesures du champ de gravité terrestre et même des communications de haute précision, ajoutant ainsi un autre « chronomètre ultime » à la capacité des êtres humains à saisir le temps.
Par rapport au comptage des secondes au « Mississippi », ces horloges de nouvelle génération, qui utilisent des noyaux atomiques comme « aiguilles oscillantes », nous rapprochent évidemment du timing parfait.