UNE HORLOGE RÉGLÉE SUR UN NOYAU ATOMIQUE A TENU 30 HEURES

Les horloges les plus précises du monde comptent les oscillations des électrons dans les atomes, sondées par des lasers. Elles servent de références de fréquence pour la métrologie et pour tester la physique fondamentale. Le thorium-229 offre un balancier d’un autre genre : son noyau possède un état excité, appelé isomère, à seulement 8,4 électronvolts environ au-dessus de son état fondamental — assez bas pour qu’un laser l’atteigne. La lumière nécessaire se situe dans l’ultraviolet du vide, à 148,4 nanomètres.

Selon les auteurs, une horloge fondée sur cette transition nucléaire serait particulièrement sensible à d’éventuelles variations des interactions fondamentales, et pourrait aider à chercher la matière noire. Insérer le thorium dans un cristal transparent de fluorure de calcium donne un nombre énorme de noyaux absorbeurs dans un petit morceau solide : la voie vers une horloge nucléaire à l’état solide.

Pas la première, mais celle qui tient ici le plus longtemps

L’article est précis sur ce qui existait déjà. Ses références citent la fluorescence nucléaire, l’excitation laser directe, la spectroscopie par peigne de fréquences, les lasers ultraviolets continus, la spectroscopie d’absorption et même des boucles d’asservissement nucléaire publiées par d’autres équipes. Ce que ce travail ajoute : une horloge qui fonctionne longtemps sur un cristal donné, et un lien soigné entre son spectre mesuré et la fréquence que l’horloge délivre réellement.

L’absorption est la clé. Plutôt que d’attendre que les noyaux excités se désexcitent — un processus lent —, l’équipe mesure combien de lumière le cristal avale. Cela donne un signal rapide qui dit si le laser est sur la raie ou à côté.

Trois doublements pour atteindre le noyau

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen et leurs collègues de l’université des sciences et technologies de Chine, avec des partenaires de l’Académie chinoise des sciences et de la TU Wien à Vienne, partent d’un laser infrarouge à 1 187 nanomètres, stabilisé sur une cavité optique ultrastable. Trois doublements de fréquence successifs le transforment en 594, puis 297, puis 148,4 nanomètres. Environ 750 picowatts d’ultraviolet traversent alors un morceau de cristal dopé au thorium de 1,8 millimètre d’épaisseur, découpé dans un cristal appelé X2. D’autres morceaux de X2 ont été mesurés à Vienne et au JILA.

Dans le cristal, le champ électrique local dédouble la raie nucléaire en plusieurs composantes. Sur un type de site du thorium, l’équipe en distingue quatre, plus une résonance plus large venue d’un second type de site. La raie la plus forte et la plus fine, appelée b, ne fait que 83 kilohertz de large — sur une fréquence d’environ deux millions de milliards de hertz.

Trente heures sur une seule raie

Pour faire tourner l’horloge, le système sonde les deux flancs de la raie b et corrige la fréquence du laser toutes les 10 secondes environ. Un peigne de fréquences, référencé à un maser à hydrogène lui-même calibré sur une horloge atomique au strontium, mesure la sortie.

• La boucle a tenu 30 heures — 1 061 000 cycles de mesure, dont seulement 29 rejetés.
• L’équipe a arrêté le run alors que l’horloge était encore verrouillée : le flux de photons était tombé de 5,79 à 2,41 millions par seconde, ce que les auteurs attribuent à un dégazage qui dégrade la transmission ultraviolette.
• La fréquence mesurée de la raie b : 2 020 407 298 796,17 kilohertz, à 0,13 kilohertz près.
• Sa stabilité s’améliore avec le temps de moyenne et atteint 1,24 × 10⁻¹³ après 10 000 secondes.
• Un second run de 6,6 heures sur une autre composante, la raie c, a aussi fonctionné.

Les positions des raies lues sur les spectres d’absorption et les fréquences délivrées par l’horloge concordent dans les barres d’erreur. Quand l’équipe a relancé l’horloge trois fois de plus, après avoir ouvert l’enceinte et réaligné l’optique, les fréquences moyennes se sont étalées sur 1,6 kilohertz.

Un même cristal, trois laboratoires

En comparant leur morceau aux morceaux du même cristal mesurés à Vienne et au JILA, après correction de température, l’équipe retrouve le même motif de raies. Des écarts subsistent : la raie b est 11,6 kilohertz au-dessus de la valeur de Vienne et 6,6 au-dessus de celle du JILA ; la raie c, environ 30 kilohertz au-dessus des deux. Les auteurs ne savent pas encore si ces écarts viennent d’erreurs de température résiduelles, de biais de l’asservissement ou de vraies différences entre échantillons.

Encore loin de la ligne d’arrivée

Les chiffres méritent du recul, et l’article le fournit. La comparaison entre le maser à hydrogène et l’horloge au strontium servant de référence est elle-même plus de dix fois plus stable que l’horloge au thorium sur les mêmes durées de moyenne. Les budgets d’incertitude sont explicitement partiels, et la température n’a pas été enregistrée pendant les 14,7 premières heures du long run. La valeur de ce travail tient à l’endurance et aux recoupements : une transition nucléaire tenue plus d’une journée, comparée à des morceaux du même cristal dans trois laboratoires.