Les horloges au thorium restent à la traîne

À Vienne et à Pékin, des équipes ont construit les premières horloges capables de maintenir un laser accordé sur une transition du noyau atomique, en utilisant le thorium-229 comme référence (Reuters). Une idée ancienne fonctionne désormais en laboratoire. Kyle Beloy, physicien au NIST, a déclaré à Chemical & Engineering News que ces prototypes restaient « à plusieurs ordres de grandeur » des meilleures horloges atomiques optiques en matière de précision et de stabilité (C&EN).

Les physiciens cherchent une référence nucléaire parce que le noyau réagit à des forces différentes de celles qui agissent sur les électrons des horloges atomiques classiques. Comparer ces deux types d’horloges offre un nouveau moyen de vérifier si les lois de la nature restent parfaitement constantes.

Comment un cristal devient une horloge

Les deux équipes font passer un laser ultraviolet à travers des cristaux contenant du thorium-229 et cherchent une faible baisse de l’intensité lumineuse à la sortie (To Brief). Cette baisse apparaît lorsque le laser atteint la fréquence exacte absorbée par les noyaux. Les physiciens appellent ce point de résonance.

Repérer cette baisse une fois est plus facile que de rester dessus. Les équipes mesurent donc l’absorption à des fréquences légèrement supérieures et inférieures à la fréquence choisie. Si le laser est exactement au centre, l’absorption est égale des deux côtés. S’il dérive, un côté absorbe davantage ; ce déséquilibre indique au système de contrôle dans quel sens réaccorder le laser.

Imaginez-vous au sommet d’une colline dans le brouillard. Vous ne voyez pas le sommet, mais un pas à gauche puis un pas à droite vous indiquent dans quel sens le terrain descend. Ces corrections constantes transforment un laser en horloge.

Trois façons pour une horloge de manquer sa cible

Une balance de salle de bains et un poids de calibration permettent de distinguer trois notions. La stabilité mesure les variations de l’affichage tant que le poids reste en place. La reproductibilité indique si la balance affiche le même nombre le lendemain pour ce même poids. La précision mesure l’écart entre ce nombre et la masse réelle du poids.

Pour mesurer la stabilité, les physiciens utilisent un « coefficient d’instabilité », qui indique dans quelle mesure la fréquence de l’horloge fluctue au fil du temps. Plus il est faible, mieux c’est. Pékin a rapporté une valeur de 5 × 10⁻¹³ sur une période de 3,8 heures (manuscrit de Pékin). L’horloge de Vienne a fonctionné sans surveillance pendant une journée entière et affiché 3 × 10⁻¹² (article de Nature sur Vienne).

À titre de comparaison, une horloge atomique à ion d’aluminium publiée affiche environ 3,5 × 10⁻¹⁶ (article sur l’horloge à ion d’aluminium, résultat du NIST). Chaque rang d’exposant correspond à un facteur dix : c’est l’écart décrit par Beloy. Les deux équipes travaillant sur les horloges nucléaires ont utilisé des dispositifs et des durées de mesure différents ; la valeur plus faible annoncée par Pékin ne suffit donc pas à en faire la meilleure horloge.

Ces chiffres ne mesurent que les fluctuations à court terme. Aucune équipe n’a encore présenté de bilan complet de précision, c’est-à-dire une évaluation de tous les effets susceptibles d’écarter l’horloge de sa fréquence réelle. L’écart de précision ne peut donc pas encore être chiffré.

Une cible qui bouge

Le pic d’absorption mesuré est également large. À Pékin, le pic retenu s’étendait sur environ 27 kilohertz (Physics World). Plus le pic est large, plus sa cible est floue : le système de contrôle a alors plus de mal à en repérer le centre exact.

La seconde difficulté est apparue à Vienne. L’équipe a déplacé le faisceau laser entre cinq points du même cristal et constaté que le centre de résonance variait jusqu’à environ 1,7 kilohertz. Le bruit aléatoire des mesures n’expliquerait qu’environ 0,13 kilohertz de cette variation (manuscrit de Vienne). Autrement dit, la fréquence de référence apparente changeait selon l’endroit où tombait le faisceau, comme une balance dont l’affichage varie selon la position du poids.

L’équipe n’a pas encore identifié la cause. Parmi les solutions envisagées, elle propose de faire suivre au faisceau un trajet parfaitement reproductible. Ces variations aident à comprendre pourquoi les fréquences mesurées à Vienne ne concordaient d’un jour à l’autre qu’à environ 5 × 10⁻¹³ (article de Nature sur Vienne), un résultat moins précis que ne le suggérait une mesure isolée.

Les équipes de Vienne et de Pékin ont montré que des noyaux dans un cristal peuvent guider un laser et le maintenir verrouillé pendant des heures, voire une journée entière. La stabilité mesurée reste très en retrait de celle des meilleures horloges optiques, et la précision de ces prototypes n’a pas encore été évaluée. L’atome de césium définit toujours la seconde officielle (BIPM). La prochaine étape est clairement définie : répéter les mesures sur plusieurs jours et avec différents appareils, comptabiliser chaque décalage systématique, puis comparer longuement ces horloges aux horloges optiques.