Résonance atomique si étroite qu’elle ne perd pas une seconde en 300 milliards d’années
Prospectif : Les horloges atomiques sont des dispositifs de chronométrage extraordinairement précis et complexes, capables de maintenir l’exactitude sans perdre une seconde pendant des centaines de millions d’années. Actuellement, les chercheurs explorent activement le développement d’horloges nucléaires potentielles qui pourraient offrir une précision et une fiabilité encore plus grandes dans la mesure du temps.
Une expérience récente menée au Centre européen de laser à électrons libres à rayons X (European XFEL) a démontré le potentiel du scandium en tant qu’horloge « nucléaire » exceptionnellement précise, bénéficiant d’un niveau de précision de 1:10 000 000 000 000. Une telle horloge atomique basée sur le scandium resterait précise sans perdre une seconde pendant une durée stupéfiante de 300 milliards d’années, soit environ 22 fois l’âge de l’univers, comme l’expliquent les chercheurs.
Les horloges atomiques, réputées pour leur précision exceptionnelle, reposent sur l’utilisation d’électrons dans la coque atomique d’un élément chimique pour générer des impulsions précises, définissant ainsi le temps. Les horloges atomiques « conventionnelles » utilisent des atomes de césium, où les électrons peuvent être élevés vers des états d’énergie plus élevés par des fréquences de rayonnement micro-ondes prédéterminées. Les électrons sous tension absorbent ces impulsions micro-ondes.
Une horloge atomique ajuste la fréquence du rayonnement pour maximiser l’absorption d’énergie, un phénomène appelé « résonance ». Cette résonance permet à l’oscillateur à quartz, responsable de la génération des micro-ondes, de maintenir une telle stabilité que les horloges au césium peuvent rester précises à la seconde près pendant 300 millions d’années. En employant une technique similaire avec une résonance exceptionnellement étroite, les horloges atomiques à base de strontium peuvent atteindre une précision encore plus grande, ne perdant qu’une seconde en 15 milliards d’années.
Cependant, il convient de noter que la méthode d’excitation électronique présente des limites lorsqu’il s’agit d’améliorer encore la précision du chronométrage. Par conséquent, les chercheurs ont consacré des efforts importants au développement d’horloges « nucléaires », qui se concentrent sur les transitions énergétiques au sein du noyau atomique, fonctionnant en dessous du niveau orbital atomique où se trouvent les électrons, comme un nouveau moyen de générer des mesures temporelles précises.
Les résonances nucléaires, comme le notent les chercheurs, sont nettement plus précises, mais elles sont également plus difficiles à réaliser. Le scandium, un élément de terre rare découvert pour la première fois en 1879, est facilement disponible sous forme de feuille métallique de haute pureté ou de composé de dioxyde de scandium. Les scientifiques ont reconnu le potentiel de la résonance du scandium il y a plus de 30 ans ; cependant, cette résonance nécessite des impulsions de rayons X avec un niveau d’énergie de 12,4 kiloélectronvolts, soit environ 10 000 fois supérieur à celui de la lumière visible.
Les progrès récents de la technologie laser, tels que le XFEL européen, ont transformé le paysage. Les chercheurs ont utilisé cette installation pour exposer une feuille de scandium de 0,025 millimètre d’épaisseur à la lumière laser à rayons X, conduisant à l’émission d’une « rémanence caractéristique » par les noyaux atomiques excités. Cette rémanence témoigne de la ligne de résonance exceptionnellement étroite du scandium.
Ayant réussi à exciter par résonance des noyaux de scandium et à mesurer précisément leur énergie, les chercheurs envisagent désormais de nombreuses applications potentielles pour ces chronomètres ultra-précis. La résonance atomique du scandium pourrait être exploitée pour les futures horloges nucléaires, ainsi que pour la « spectroscopie d’ultra haute précision » ou la mesure précise de phénomènes physiques fondamentaux, selon les experts. Une horloge nucléaire au scandium a le potentiel de sonder la dilatation gravitationnelle du temps à des « distances inférieures au millimètre », offrant ainsi un nouveau moyen d’étudier les effets relativistes sur des échelles de longueur auparavant inaccessibles.