LA LUMIÈRE QUI FAIT TOURNER UNE HORLOGE NUCLÉAIRE

Les horloges optiques fournissent des références de fréquence précises pour la science de la mesure et les tests de physique fondamentale. Un noyau de thorium-229 offre quelque chose de plus étrange : il possède un état excité de basse énergie, environ 8,4 électronvolts au-dessus de son état fondamental, qu’un laser peut atteindre. Une horloge fondée sur un noyau serait particulièrement sensible à d’éventuelles variations des constantes fondamentales de la nature. Et avec du thorium inséré dans un cristal transparent, elle pourrait devenir une horloge nucléaire à l’état solide.

Le hic, c’est la couleur. Cette transition demande une lumière de 148,4 nanomètres, dans l’ultraviolet du vide. Des travaux récents ont montré qu’une telle lumière peut exciter le noyau et faire fonctionner des horloges nucléaires. Mais pour lire une absorption faible, la source doit fournir un flux régulier de photons pendant des heures, et il faut filtrer les dérives de son intensité.

Conflit d’intérêts. Certains auteurs sont salariés ou propriétaires de Shanghai Precilasers Technology, une entreprise de lasers. Les auteurs ne déclarent aucun autre conflit.

Diviser la longueur d’onde par deux, trois fois

L’équipe, issue de l’université des sciences et technologies de Chine, du Laboratoire national de Hefei, d’instituts de l’Académie chinoise des sciences et de l’entreprise, part d’un laser infrarouge continu à 1 187 nanomètres. Trois doublages de fréquence successifs divisent sa longueur d’onde par deux : 594, puis 297, puis 148,4 nanomètres.

La dernière étape a lieu dans un cristal de tétraborate de strontium, un matériau transparent dans l’ultraviolet du vide et capable de doubler la fréquence de la lumière. Le cristal se trouve dans une boîte étanche, vidée puis remplie d’azote pur à plus de 99,9999 %, car l’oxygène avale cette lumière. Cette propriété sert aussi de test : on laisse entrer un peu d’oxygène, le signal à 148,4 nanomètres disparaît, et il ne reste que le bruit de fond.

Quelques nanowatts, très propres

• Avec 920 milliwatts de lumière à 297 nanomètres en entrée, la source fournit environ 8,1 nanowatts estimés à 148,4 nanomètres.
• Le signal est 38 000 fois plus fort que le bruit de fond restant après ajout d’oxygène.
• C’est environ six fois les 1,3 nanowatt rapportés par une équipe précédente. Mais les auteurs soulignent qu’ils ont utilisé bien plus de puissance de pompe ; rapportées au carré de cette puissance, les deux conversions se valent, et rien ne montre que le cristal soit plus efficace.

Des cristaux taillés dans un même bloc ne se comportaient pas de la même façon. L’un fonctionnait au mieux vers 30 °C, un autre vers 45 et 48 °C selon l’endroit éclairé. Chaque pièce demande son propre réglage.

Trente-trois heures, et une astuce contre la dérive

La source a fonctionné 33,3 heures pendant que l’équipe réalisait des mesures d’absorption nucléaire décrites dans un article compagnon. Sa production est lentement passée d’environ 5 à 8 millions de coups par seconde, alors que la pompe restait stable ; la cause de cette dérive n’est pas élucidée.

Pour contrer ces dérives, l’équipe a comparé chaque milliseconde de signal à celles qui la précèdent et la suivent. Sur un enregistrement séparé de trois heures, ce référencement local a permis au bruit de se moyenner presque aussi bien que le permet la statistique des photons, jusqu’à une stabilité relative de 3,5 × 10⁻⁵ après 1 000 secondes. Les auteurs le présentent comme un test hors ligne du moyennage, pas encore comme une limite de détection d’absorption mesurée.

Vers des sources plus brillantes

Une cavité de miroirs autour d’un cristal plus fin pourrait, sur le papier, porter la production à environ 3,4 microwatts — une projection qui suppose de faibles pertes et un fonctionnement stable. Doper le cristal ou contrôler sa structure interne sont d’autres pistes. Pour l’instant, le résultat est une source pratique et endurante pour écouter la faible absorption d’un noyau de thorium.