Thorium : les cristaux faussent les horloges nucléaires

À Vienne et à Pékin, deux équipes ont présenté dans Nature, le 7 octobre, les premières horloges asservies à une transition du noyau de thorium 229. Les cristaux déplacent encore la fréquence, ce qui limite leur exactitude, mais ces instruments ouvrent une nouvelle voie pour tester certaines théories de la matière noire.

Le changement tient au rôle désormais joué par le noyau : il corrige en continu la fréquence du laser, donnant aux physiciens un nouvel instrument. Mais de minuscules décalages dus aux cristaux qui immobilisent le thorium empêchent encore d’en faire un garde-temps fiable (Reuters).

Une horloge associe un rythme à une correction. Le pendule oscille, et l’horloger le réajuste lorsqu’il dérive. Une horloge atomique confie ce réglage à la physique : un laser est comparé en permanence à une transition, c’est-à-dire au passage entre deux états d’énergie, qui absorbe la lumière à une fréquence caractéristique. Cette fréquence est très stable, même si l’environnement de l’atome peut la déplacer légèrement.

Dans les horloges atomiques classiques, c’est un électron qui effectue le saut. Le thorium 229 est particulier : son noyau possède une transition accessible à un laser ultraviolet, alors que la plupart des transitions nucléaires exigent des rayonnements beaucoup plus énergétiques. Les noyaux sont aussi minuscules et, en principe, moins sensibles aux champs électriques et magnétiques parasites que les nuages d’électrons qui les entourent (Physics World).

Comment le noyau prend le volant

Les deux équipes ont incorporé du thorium 229 dans de petits cristaux de fluorure de calcium, puis y ont fait passer un laser ultraviolet à bande étroite. À la fréquence exacte, les noyaux absorbent un peu plus de lumière. Le système de contrôle déplace le laser de part et d’autre du pic d’absorption, détermine de quel côté il se trouve, puis ramène la fréquence vers le centre (étude de Vienne dans Nature, étude chinoise dans Nature).

Une aide au maintien dans la voie fonctionne de façon comparable : une caméra repère les marquages et le système corrige légèrement la trajectoire pour rester entre les lignes. Dans l’horloge, le signal d’absorption tient lieu de caméra, tandis que le contrôleur du laser corrige la fréquence.

Cette boucle de rétroaction constitue la nouveauté. Des expériences antérieures avaient déjà déclenché la transition avec un laser en 2024 (Physical Review Letters). Le signal était alors souvent mesuré à partir de la lueur tardive des noyaux excités, trop lente pour corriger le laser en continu. Détecter une station de radio une fois ne suffit pas : il faut rester accordé sur elle. L’absorption directe permet désormais ce réglage en temps réel.

Les deux équipes ont avancé séparément. TU Wien présente son appareil comme une horloge nucléaire à stabilisation autonome (TU Wien), tandis que les travaux chinois ont été menés sous la direction de Tsinghua University (Tsinghua). Deux réalisations indépendantes de la même idée la confortent davantage qu’une seule.

Stable, mais pas encore exacte

Les spécialistes distinguent deux qualités. La stabilité mesure la régularité des battements d’un instant à l’autre ; sur ce critère, aucun des deux prototypes n’égale encore les horloges atomiques optiques déjà établies. L’exactitude indique si l’horloge tourne à la bonne fréquence, comme une montre qui avancerait de cinq minutes tout en gardant un rythme parfaitement régulier.

C’est sur l’exactitude que le cristal pose problème. Chaque noyau de thorium se trouve dans un environnement local qui lui est propre ; les tensions ou les défauts du cristal peuvent déplacer sa fréquence caractéristique, de sorte que la mesure varie selon l’endroit où passe le laser. L’équipe de Pékin a relevé un signe encourageant : deux cristaux cultivés séparément ont donné des fréquences très proches (étude chinoise dans Nature). Aucune des deux équipes n’a encore établi un bilan complet de tous les effets susceptibles de fausser la fréquence.

À l’écoute de la matière noire

Même imparfaite, l’horloge intéresse déjà les physiciens. Certaines théories avancent que la matière noire, cette matière invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l’Univers, pourrait exercer une traction périodique sur les forces qui déterminent ces fréquences. Une horloge nucléaire et une horloge fondée sur les électrons réagiraient différemment à cet effet : le rapport entre leurs rythmes varierait alors selon une pulsation régulière.

Vienne a fait fonctionner son horloge au thorium en parallèle avec une horloge atomique classique et a recherché cette pulsation. L’équipe n’en a détecté aucune ; selon les auteurs, ce résultat écarte certains modèles précis de matière noire, sans remettre en cause l’ensemble des théories (étude de Vienne dans Nature).

La définition officielle de la seconde repose toujours sur les atomes de césium (BIPM), et ces prototypes ne la modifieront pas de sitôt. Ils démontrent toutefois qu’un noyau peut piloter une horloge en fonctionnement. Pour en faire un instrument de mesure du temps fiable, il faudra que les cristaux maintiennent le thorium sans déplacer sa fréquence : un problème que les équipes qui les cultivent à Vienne et à Pékin sont les mieux placées pour résoudre.