Une étape importante pour une nouvelle horloge atomique
Le laser à rayons X montre la voie possible vers une mesure du temps d'une précision nettement accrue
Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape décisive vers une nouvelle génération d'horloges atomiques. Au laser européen à rayons X XFEL, les chercheurs ont créé un générateur d'impulsions beaucoup plus précis basé sur l'élément scandium, qui permet une précision d'une seconde sur 300 milliards d'années, soit environ mille fois plus que l'horloge atomique standard actuelle basée sur le césium. L'équipe présente son succès dans la revue Nature.
Représentation artistique de l'horloge nucléaire à scandium : les scientifiques ont utilisé les impulsions de rayons X du laser européen XFEL pour exciter dans le noyau atomique du scandium le type de processus qui peut générer un signal d'horloge, avec une précision sans précédent d'une seconde sur 300 milliards d'années.
European XFEL/Helmholtz-Institut Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
Les horloges atomiques sont actuellement les instruments de mesure du temps les plus précis au monde. Ces horloges utilisent des électrons dans l'enveloppe atomique d'éléments chimiques, tels que le césium, comme générateur d'impulsions afin de définir l'heure. Ces électrons peuvent être portés à un niveau d'énergie supérieur par des micro-ondes d'une fréquence connue. Ce faisant, ils absorbent le rayonnement des micro-ondes. Une horloge atomique projette des micro-ondes sur des atomes de césium et règle la fréquence du rayonnement de manière à ce que l'absorption des micro-ondes soit maximale ; les experts parlent de résonance. L'oscillateur à quartz qui génère les micro-ondes peut être maintenu si stable à l'aide de la résonance que les horloges à césium seront précises à une seconde près d'ici 300 millions d'années.
La largeur de la résonance utilisée est cruciale pour la précision d'une horloge atomique. Les horloges atomiques actuelles au césium utilisent déjà une résonance très étroite ; les horloges atomiques au strontium atteignent une plus grande précision avec seulement une seconde en 15 milliards d'années. Il est pratiquement impossible d'obtenir une amélioration supplémentaire avec cette méthode d'excitation des électrons. C'est pourquoi des équipes du monde entier travaillent depuis plusieurs années sur le concept d'une horloge "nucléaire", qui utilise les transitions dans le noyau atomique comme générateur d'impulsions plutôt que dans la coquille atomique. Les résonances nucléaires sont beaucoup plus aiguës que les résonances des électrons dans la coquille atomique, mais aussi beaucoup plus difficiles à exciter.
Cette résonance nécessite des rayons X d'une énergie de 12,4 kiloélectronvolts (keV, soit environ 10 000 fois l'énergie de la lumière visible) et d'une largeur de seulement 1,4 femtoélectronvolt (feV). Cela représente 1,4 quadrillionième d'électronvolt, soit seulement un dixième de trillionième de l'énergie d'excitation (10-19). Cela permet une précision de 1:10 000 000 000 000. "Cela correspond à une seconde sur 300 milliards d'années", explique Ralf Röhlsberger, chercheur à DESY, qui travaille à l'Institut Helmholtz d'Iéna, une installation commune du Centre Helmholtz GSI pour la recherche sur les ions lourds, du Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de DESY.
Les horloges atomiques ont de nombreuses applications qui bénéficient d'une meilleure précision, comme le positionnement précis par navigation satellite. "Le potentiel scientifique de la résonance du scandium a été identifié il y a plus de 30 ans", rapporte le chef de projet de l'expérience, Yuri Shvyd'ko, du Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis. "Jusqu'à présent, cependant, aucune source de rayons X ne brillait suffisamment dans l'étroite raie de 1,4 feV du scandium", explique Anders Madsen, responsable scientifique de la station d'expérimentation MID au XFEL européen, où s'est déroulée l'expérience. "Cela n'a changé qu'avec les lasers à rayons X comme le XFEL européen. Lors de cette expérience révolutionnaire, l'équipe a irradié une feuille de scandium de 0,025 millimètre d'épaisseur avec un laser à rayons X et a pu détecter une rémanence caractéristique émise par les noyaux atomiques excités, ce qui prouve clairement que la ligne de résonance du scandium est extrêmement étroite.
La connaissance exacte de l'énergie de résonance - en d'autres termes, l'énergie du rayonnement laser à rayons X à laquelle la résonance se produit - est également importante pour la construction d'horloges atomiques. Une suppression sophistiquée du bruit extrême et une optique cristalline à haute résolution ont permis de déterminer à cinq chiffres près l'énergie de résonance du scandium dans les expériences, soit 12,38959 keV, ce qui est 250 fois plus précis qu'auparavant. "La détermination précise de l'énergie de transition marque un progrès significatif", souligne le responsable de l'analyse des données, Jörg Evers, de l'Institut Max Planck de physique nucléaire de Heidelberg. "La connaissance exacte de cette énergie est d'une importance capitale pour la réalisation d'une horloge atomique basée sur le scandium". Les chercheurs étudient à présent les étapes ultérieures de la réalisation d'une telle horloge nucléaire atomique.
"La percée de l'excitation résonante du scandium et la mesure précise de son énergie ouvrent de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires, mais aussi pour la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux", explique Shvyd'ko. Olga Kocharovskaya, de l'université Texas A&M aux États-Unis, initiatrice et chef du projet financé par la National Science Foundation, ajoute : "Par exemple, une telle précision pourrait permettre de sonder la dilatation temporelle gravitationnelle à des distances submillimétriques. Cela permettrait d'étudier les effets relativistes à des échelles de longueur inaccessibles jusqu'à présent".
Des chercheurs de l'Argonne National Laboratory aux États-Unis, de l'Institut Helmholtz d'Iéna, de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna, de l'Université Texas A&M aux États-Unis, de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, de la source polonaise de rayonnement synchrotron SOLARIS à Cracovie, du XFEL européen et de DESY ont participé à ces travaux.
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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