Un laboratoire coréen remesure le strontium 50 fois plus précisément

Pendant 88 ans, le nombre qui indique à un laser où se placer pour capturer un atome de strontium repose sur une mesure réalisée en 1938, lorsque des chercheurs ont comparé la lumière du Soleil à la lumière d'arc du strontium. Le Korea Research Institute of Standards and Science, connu sous le nom de KRISS, vient de mesurer à nouveau cette fréquence, et la nouvelle valeur présente une incertitude réduite de plus de 50 fois. La mesure porte sur la transition optique du strontium à 461 nanomètres, et le résultat est publié dans la revue Metrologia.

L'ancien chiffre n'a jamais été assez précis pour les travaux actuels. Le strontium sert aux horloges à réseau optique et aux capteurs quantiques, où des atomes en mouvement rapide doivent être ralentis et piégés par des lasers accordés sur la fréquence de résonance exacte d'une transition atomique. Faute de valeur fiable, les expérimentateurs ont dû observer directement la réaction des atomes et régler le laser par essais successifs, un peu comme on tourne le cadran d'une radio analogique pour trouver une station. La nouvelle valeur remplace cette recherche par un point de référence, et l'incertitude se situe désormais à environ 5 mégahertz, au terme de ce que l'équipe décrit comme une campagne de mesures de précision d'un an.

L'outil clé est une « puce à réseau photonique », développée par le KRISS avec l'Institut coréen des sciences et technologies avancées et le Centre national de nanofabrication. Sa surface porte un réseau fin qui diffracte et réfléchit la lumière selon des directions déterminées lorsqu'elle est placée sous vide. Les montages classiques alignent plusieurs miroirs extérieurs, dont chacun peut capter des vibrations mécaniques ; la puce supprime une grande partie de cette source d'erreur, et une seule puce peut générer des faisceaux laser dans plusieurs directions, ce qui simplifie le montage optique. Une fois les erreurs d'équipement réduites, les chercheurs ont déterminé la fréquence selon deux méthodes fondées sur des principes différents. La première examine la réponse des atomes à la lumière lorsque la fréquence du laser varie ; la seconde déduit la fréquence de la distribution des vitesses d'un faisceau atomique ralenti par des lasers. Les deux résultats concordent dans leurs marges d'erreur, et la valeur finale les combine selon les recommandations internationales.

La mesure est rattachée à l'heure standard coréenne, la référence nationale de temps et de fréquence entretenue par le KRISS, elle-même reliée au Système international d'unités ; le chiffre peut donc être comparé à la même référence partout dans le monde. Pour ceux qui fabriquent ces dispositifs, le gain est concret : un point de départ commun et précis, au lieu d'un nombre à retrouver dans chaque laboratoire. Le Dr Jae Hoon Lee, principal chercheur au sein du groupe Détection quantique atomique du KRISS, résume ainsi l'enjeu : « l'intérêt principal de cette recherche n'est pas seulement d'avoir remesuré une valeur de fréquence, mais d'avoir fourni de manière proactive un point de référence de mesure précis pour les technologies quantiques de nouvelle génération ».

L'équipe espère que cette valeur aidera les dispositifs quantiques de nouvelle génération à se libérer des encombrantes références de fréquence atomique externes, en particulier combinée à la technologie de synthèse de fréquences optiques en cours de développement, et qu'elle accélérera la miniaturisation et la commercialisation des dispositifs à atomes froids. Ce ne sont là que des attentes, non des produits : le résultat repose sur une mesure unique d'une seule transition, et il doit encore être repris par les constructeurs d'horloges et de capteurs. Le KRISS ne donne aucun calendrier pour des appareils commerciaux et ne cite aucun partenaire industriel.