08.11.2022 - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Première horloge atomique optique au monde avec des ions hautement chargés

Les scientifiques de l'Institut QUEST de la PTB ont réalisé et évalué un nouveau type d'horloge atomique optique.

Les horloges atomiques optiques sont les instruments de mesure les plus précis jamais construits et deviennent des outils essentiels pour la recherche fondamentale et appliquée, par exemple pour tester la constance des constantes naturelles ou pour les mesures de hauteur en géodésie. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut QUEST de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en collaboration avec l'Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) et la TU Braunschweig et dans le cadre du pôle d'excellence QuantumFrontiers, ont réalisé pour la première fois une horloge atomique optique basée sur des ions hautement chargés. Ce type d'ion se prête à une telle application car il possède des propriétés atomiques extraordinaires et une faible sensibilité aux champs électromagnétiques externes. Les chercheurs présentent leurs résultats dans le numéro actuel de Nature.

Les ions hautement chargés sont une forme de matière courante dans le cosmos, où on les trouve, par exemple, dans le soleil ou d'autres étoiles. Ils sont appelés ainsi parce qu'ils ont perdu de nombreux électrons et ont donc une charge positive élevée. C'est pourquoi les électrons les plus extérieurs sont plus fortement liés au noyau atomique que dans les atomes neutres ou faiblement chargés. Pour cette raison, les ions fortement chargés réagissent moins fortement aux interférences des champs électromagnétiques externes, mais deviennent des sondes plus sensibles des effets fondamentaux de la relativité restreinte, de l'électrodynamique quantique et du noyau atomique. "Nous espérions donc qu'une horloge atomique optique avec des ions hautement chargés nous aiderait à mieux tester ces théories fondamentales", explique Lukas Spieß, physicien à la PTB. Cet espoir s'est déjà réalisé : "Nous avons pu détecter le recul nucléaire électrodynamique quantique, une prédiction théorique importante, dans un système à cinq électrons, ce qui n'a été réalisé dans aucune autre expérience auparavant."

Auparavant, l'équipe a dû résoudre certains problèmes fondamentaux, comme la détection et le refroidissement, au cours d'années de travail : Pour les horloges atomiques, il faut refroidir extrêmement les particules afin de les arrêter au maximum et ainsi lire leur fréquence au repos. Les ions hautement chargés, en revanche, sont produits en créant un plasma extrêmement chaud. En raison de leur structure atomique extrême, les ions hautement chargés ne peuvent pas être refroidis directement par la lumière laser, et les méthodes de détection standard ne peuvent pas non plus être utilisées. Une collaboration entre le MPIK de Heidelberg et l'Institut QUEST de la PTB a permis de résoudre ce problème en isolant un seul ion d'argon hautement chargé d'un plasma chaud et en le stockant dans un piège à ions avec un ion de béryllium chargé individuellement. Cela permet de refroidir indirectement l'ion hautement chargé et de l'étudier au moyen de l'ion béryllium. Un système de piège cryogénique avancé a ensuite été construit au MPIK et finalisé à la PTB pour les expériences suivantes, qui ont été réalisées en partie par des étudiants passant d'une institution à l'autre. Par la suite, un algorithme quantique développé à la PTB a permis de refroidir encore davantage l'ion hautement chargé, c'est-à-dire de le rapprocher de l'état fondamental de la mécanique quantique. Cela correspondait à une température de 200 millionièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu. Ces résultats ont déjà été publiés dans Nature en 2020 et dans Physical Review X en 2021.

Les chercheurs ont maintenant franchi avec succès l'étape suivante : Ils ont réalisé une horloge atomique optique basée sur des ions d'argon treize fois chargés et ont comparé le tic-tac avec l'horloge à ions d'ytterbium existante à la PTB. Pour ce faire, ils ont dû analyser le système en détail afin de comprendre, par exemple, le mouvement de l'ion hautement chargé et les effets des champs parasites externes. Ils ont obtenu une incertitude de mesure de 2 parties sur 10E17 - comparable à celle de nombreuses horloges atomiques optiques actuellement en service. "Nous prévoyons une nouvelle réduction de l'incertitude grâce à des améliorations techniques, ce qui devrait nous permettre de nous rapprocher des meilleures horloges atomiques", déclare Piet Schmidt, chef du groupe de recherche.

Les chercheurs ont ainsi créé un concurrent sérieux aux horloges atomiques optiques existantes basées, par exemple, sur des ions d'ytterbium individuels ou des atomes neutres de strontium. Les méthodes utilisées sont universellement applicables et permettent d'étudier de nombreux ions hautement chargés différents. Il s'agit notamment de systèmes atomiques qui peuvent être utilisés pour rechercher des extensions du modèle standard de la physique des particules. D'autres ions hautement chargés sont particulièrement sensibles aux changements de la constante de structure fine et à certains candidats de matière noire qui sont nécessaires dans les modèles au-delà du modèle standard mais qui ne pouvaient pas être détectés avec les méthodes précédentes.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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