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For over 15 years, physicist Thorsten Schumm's team at the Vienna Institute of Technology worked on a crystal precise enough to host a nuclear clock. They have now found the best seat for a thorium-229 atom inside calcium fluoride, and used it to build the first prototype of a clock that could eventually fit on a small chip.
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.
The challenge was not simply making a crystal. When thorium-229 occupied the wrong position in the crystal lattice, it created an uneven electric field that disturbed the clock's timing. The researchers tested four possible sites by shining an ultraviolet laser for 60 seconds, switching it off, and waiting five minutes while the nuclei emitted light as they returned to lower energy levels.
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.
Three sites sent the light back at different wavelengths, a sign that the surrounding electric field was uneven. The fourth returned it at a single wavelength. That was the site the team selected for its nuclear-clock prototype. The findings were published in Science.
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.
A conventional atomic clock measures electrons jumping between energy states. A nuclear clock goes deeper, measuring an energy change involving a neutron inside the nucleus. The electron cloud provides a natural shield from stray electric and magnetic fields, and a crystal-based design can work at room temperature, reducing the need for the large vacuum chambers and shielding used by existing clocks. The ultraviolet laser is a practical substitute for the gamma-ray laser that would otherwise be needed, since that gamma-ray laser has not yet been made.
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.
So what changes, concretely? The researchers say the design could be up to 10 times more precise than existing clocks while becoming small enough for compact devices. The team expects precision to improve by at least three orders of magnitude by the end of the year, but the immediate focus is miniaturization. The prototype is still a research-stage device, not a deployed product.
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.