Un cristal prototype pour des horloges nucléaires 10 fois plus précises

Pendant plus de 15 ans, l'équipe du physicien Thorsten Schumm, à l'Institut de technologie de Vienne, a travaillé sur un cristal suffisamment précis pour héberger une horloge nucléaire. Elle a désormais trouvé le meilleur emplacement pour un atome de thorium-229 dans du fluorure de calcium et l'a utilisé pour construire le premier prototype d'une horloge qui pourrait à terme tenir sur une petite puce.

Le défi ne consistait pas simplement à fabriquer un cristal. Lorsque le thorium-229 occupait la mauvaise position dans le réseau cristallin, il créait un champ électrique irrégulier qui perturbait la synchronisation de l'horloge. Les chercheurs ont testé quatre emplacements possibles en projetant un laser ultraviolet pendant 60 secondes, puis en l'éteignant et en attendant cinq minutes tandis que les noyaux émettaient de la lumière en revenant vers des niveaux d'énergie inférieurs.

Trois emplacements renvoyaient la lumière à différentes longueurs d'onde, signe que le champ électrique environnant était irrégulier. Le quatrième la renvoyait à une seule longueur d'onde. C'est l'emplacement que l'équipe a retenu pour son prototype d'horloge nucléaire. Les résultats ont été publiés dans Science.

Une horloge atomique classique mesure les sauts des électrons entre différents niveaux d'énergie. Une horloge nucléaire va plus loin en mesurant un changement d'énergie impliquant un neutron à l'intérieur du noyau. Le nuage électronique fournit une protection naturelle contre les champs électriques et magnétiques parasites, et une conception à base de cristal peut fonctionner à température ambiante, réduisant le besoin des grandes chambres à vide et des blindages utilisés par les horloges actuelles. Le laser ultraviolet constitue une solution pratique en remplacement du laser gamma qui serait autrement nécessaire, puisque ce dernier n'a pas encore été fabriqué.

Alors, qu'est-ce qui change concrètement ? Les chercheurs affirment que cette conception pourrait être jusqu'à 10 fois plus précise que les horloges actuelles, tout en devenant suffisamment petite pour des appareils compacts. L'équipe prévoit d'améliorer la précision d'au moins trois ordres de grandeur d'ici la fin de l'année, mais se concentre pour l'instant sur la miniaturisation. Le prototype reste un dispositif au stade de la recherche, et non un produit déployé.