Les horloges nucléaires font entrer le temps atomique au cœur de l'atome
Depuis plus de soixante-dix ans, les horloges les plus précises du monde mesurent le temps en observant les électrons sauter entre les niveaux d’énergie des atomes. Aujourd’hui, les physiciens ont poussé le même procédé un niveau plus loin — jusqu’au noyau lui-même. Deux équipes de recherche, l’une dirigée par des scientifiques de l’Université Tsinghua en Chine et l’autre répartie sur plusieurs pays européens, ont rapporté dans la revue Nature qu’elles avaient chacune construit une horloge nucléaire au thorium-229 fonctionnant dans une boucle stable et autocorrectrice. C’est la première fois qu’une référence de temps opérationnelle est basée sur les niveaux d’énergie à l’intérieur d’un noyau atomique plutôt que dans le nuage d’électrons qui l’entoure. Thorsten Schumm, physicien atomique à l’Université technique de Vienne en Autriche et membre principal de l’équipe européenne, a qualifié cette réalisation de rêve devenu réalité, notant que le domaine n’était qu’une niche discrète il y a peu de temps encore.
L’attrait du thorium-229 tient à une particularité de la physique nucléaire. La plupart des noyaux atomiques nécessitent une énergie énorme pour passer d’un état à l’autre, ce qui les met hors de portée des lasers ordinaires. Le thorium-229 possède un état excité exceptionnellement bas, accessible avec de la lumière dans le domaine ultraviolet. Cela permet de piloter la transition avec un laser et de lire le tic-tac, de la même manière que fonctionnent les horloges atomiques optiques.
Un noyau est bien plus petit qu’un atome et beaucoup mieux protégé du monde extérieur, de sorte qu’une horloge nucléaire devrait être moins perturbée par les champs électriques et magnétiques parasites et par les variations de température. Les chercheurs s’attendent à ce que cela se traduise par une plus grande stabilité et, à terme, une meilleure précision que les meilleures horloges optiques actuelles, qui perdraient sinon moins d’une seconde sur l’âge de l’univers.
Les deux résultats sont arrivés presque simultanément et par des voies techniques différentes, ce qui est en soi révélateur. La convergence de groupes concurrents sur le même jalon suggère que les problèmes d’ingénierie difficiles — trouver la bonne longueur d’onde laser, la verrouiller sur la transition et maintenir l’ensemble du système en fonctionnement stable — sont désormais résolus plutôt que simplement théoriques. Les équipes chinoise et européenne ont chacune démontré une boucle fermée, ce qui signifie que l’horloge peut se corriger en continu au lieu de dépendre de mesures intermittentes.
Pourquoi tout cela importe-t-il en dehors d’un laboratoire de métrologie ? De meilleures horloges affinent les satellites de navigation, les réseaux de télécommunications et les horodatages dont dépendent les systèmes financiers. Elles sous-tendent aussi les tests de la physique fondamentale : une horloge sensible aux forces nucléaires pourrait sonder si les constantes de la nature sont réellement constantes et rechercher des effets subtils que les horloges atomiques ordinaires ne peuvent pas voir. Certains chercheurs ont également évoqué les transitions nucléaires comme voie vers des étalons de fréquence plus précis pour les futures générations de technologies.
Le travail est encore loin d’un instrument commercial. Les horloges nucléaires restent des machines de laboratoire délicates et gourmandes en lasers, et les transformer en dispositifs robustes prendra des années. Mais la direction est claire. La course mondiale à la mesure de précision quantique — un domaine qui comprend les horloges atomiques, les capteurs de gravité et les magnétomètres quantiques — s’intensifie, et le résultat du thorium fait passer une idée exotique dans le domaine du matériel opérationnel.
Pour la communauté scientifique chinoise, le résultat de Tsinghua est un marqueur des progrès de la recherche quantique nationale. Les laboratoires chinois sont devenus des contributeurs réguliers à la frontière de la mesure de précision, aux côtés de groupes établis de longue date en Europe et en Amérique du Nord. La publication quasi simultanée souligne aussi une réalité pratique : les progrès dans ce domaine dépendent encore du partage des connaissances, de la collaboration transfrontalière et de la publication ouverte, même si la concurrence s’intensifie.
Pour l’instant, la réalisation se comprend mieux comme une preuve de principe à longue traîne. Une horloge qui mesure le temps à l’intérieur du noyau n’est plus une expérience de pensée. La prochaine décennie décidera de sa précision et des applications — de la géodésie à la physique fondamentale — qui seront les premières à bénéficier d’un tic-tac venu du cœur de l’atome.