L’horloge nucléaire de Vienne tourne, mais vacille

Deux équipes ont présenté le 7 octobre 2026 des horloges réglées en continu sur le noyau du thorium-229. Celle de Vienne a fonctionné plus de 24 heures ; Pékin mesure une meilleure stabilité. Ces prototypes restent loin des meilleures horloges atomiques, mais pourraient aider à tester la constance des lois physiques.

Deux équipes ont présenté dans Nature des horloges dont le laser reste accordé au noyau d’un atome pendant leur fonctionnement (étude de Vienne, étude de Pékin). Le prototype viennois a fonctionné plus de 24 heures sans intervention (texte intégral de l’étude de Vienne, Pro-Physik). Les deux horloges restent bien moins stables que les meilleures horloges atomiques. Elles offrent toutefois une nouvelle référence pour chercher si les constantes fondamentales de la physique varient.

Imaginez une chanteuse qui tient une note en s’aidant d’un diapason. Si sa voix dévie, elle entend l’écart et la corrige. Une horloge atomique optique fonctionne sur le même principe : un laser donne le rythme, et un changement d’état énergétique des électrons de l’atome sert de diapason.

Avec le thorium-229, le diapason se trouve dans le noyau. Sous l’effet d’une lumière ultraviolette de longueur d’onde proche de 148 nanomètres, son noyau peut passer d’un état à un autre (annonce du PTB). Les deux équipes ont incorporé du thorium dans des cristaux de fluorure de calcium, un matériau transparent qui maintient les atomes en place. À la bonne fréquence, les noyaux absorbent une petite partie de la lumière qui traverse le cristal.

Cette faible baisse de lumière sert de signal de réglage. Des circuits font varier légèrement la fréquence du laser dans les deux sens, tandis qu’un détecteur mesure de quel côté la lumière diminue le plus. Le système sait ainsi dans quelle direction corriger le laser, comme la chanteuse qui entend si elle chante trop haut ou trop bas.

En 2024, des chercheurs avaient montré qu’un laser pouvait provoquer cette transition nucléaire (étude sur l’excitation de 2024). La nouveauté, évoquée mercredi par To Brief (To Brief), est une boucle de réglage qui fonctionne en continu. Le noyau maintient le laser accordé aussi longtemps que l’horloge fonctionne.

Deux laboratoires, deux façons de stabiliser le faisceau

À Vienne, deux dispositifs se partagent le travail. Une cavité optique, où deux miroirs se font face et piègent la lumière, réduit les fluctuations rapides du laser. Le signal du thorium corrige ensuite sa dérive lente, que la cavité ne peut pas compenser seule (TU Wien). TU Wien a produit le cristal ; l’institut allemand de métrologie PTB a construit le laser ultraviolet avec le Max Born Institute de Berlin (groupe de recherche du PTB).

L’équipe de Pékin, dirigée par Tsinghua University (Tsinghua), a mesuré un coefficient d’instabilité inférieur à celui de Vienne. Ce coefficient décrit les variations du rythme de l’horloge sur de courtes durées : plus il est faible, plus l’horloge est stable. Il atteint 5 × 10⁻¹³ à Pékin (Science Media Centre), contre 3 × 10⁻¹² à Vienne (texte intégral de l’étude de Vienne).

L’équipe de Pékin a aussi comparé deux cristaux produits séparément. Leurs fréquences ne différaient que de 2,8 × 10⁻¹³ en valeur relative (étude de Pékin). Deux diapasons fabriqués dans des ateliers différents donnent donc presque la même note : un premier indice que cette référence nucléaire peut être reproduite.

Encore loin derrière les horloges atomiques

Comparées aux meilleures horloges fondées sur les électrons, les deux horloges nucléaires fluctuent davantage. Une horloge à ion d’aluminium du NIST est assez stable pour que l’instabilité mesurée à Vienne soit environ 8 600 fois plus élevée, et celle de Pékin, environ 1 400 fois (NIST, étude du NIST sur l’ion d’aluminium).

À Vienne, le matériau pose aussi problème. Déplacer le faisceau laser dans le cristal a modifié la fréquence mesurée jusqu’à environ 1,7 kilohertz, un écart trop important pour s’expliquer par le seul bruit de mesure. Les chercheurs l’attribuent probablement aux tensions et aux défauts du cristal (texte intégral de l’étude de Vienne). Il reste à vérifier si des cristaux mieux produits et un contrôle plus précis du trajet du faisceau réduiront cet écart.

L’intérêt de ces horloges tient à la comparaison entre des systèmes fondés sur des phénomènes physiques différents. Vienne a fait fonctionner son horloge en parallèle avec une horloge à ion d’ytterbium du bureau autrichien de métrologie, le BEV, qui servait uniquement de référence, hors de la boucle de réglage. Selon l’équipe, si les constantes de la nature variaient, la transition nucléaire réagirait différemment de celles qui reposent sur les électrons (étude de Vienne).

Certains modèles de matière noire prévoient précisément de telles variations, sous la forme de lentes oscillations. L’équipe viennoise en a recherché la trace dans la comparaison des deux horloges, sans rien détecter au-dessus du seuil de mesure. Le résultat fixe des limites supérieures à l’ampleur possible de ces effets ; il ne constitue pas une découverte.

La seconde reste définie par les atomes de césium, et ces prototypes ne changent rien à cette définition (BIPM). Vienne a montré qu’un noyau pouvait maintenir un laser accordé pendant une journée entière ; Pékin, que deux cristaux pouvaient fournir des fréquences très proches. Pour en faire un outil plus précis d’étude des lois physiques, les équipes devront surtout produire des cristaux dont la réponse nucléaire reste la même d’un échantillon à l’autre.