Les premières horloges nucléaires viennent de démarrer

Votre carte est une horloge

Le point bleu sur la carte de votre téléphone ne mesure pas vraiment une distance. Il mesure du temps. Chaque satellite gé pé esse emporte plusieurs horloges atomiques, et votre téléphone calcule le temps mis par chaque signal pour arriver. Les ondes radio vont à la vitesse de la lumière : environ trente centimètres par milliardième de seconde.

Une erreur d'un millionième de seconde décale votre position d'environ trois cents mètres.

Deux horloges nucléaires en une semaine

Le sept octobre, deux équipes ont annoncé dans Nature avoir construit des horloges réglées sur le noyau d'un atome. C'était plus qu'une avancée en physique. C'était un nouveau type d'horloge, qui pourrait un jour battre les nôtres, selon les deux équipes. Mais les premières versions restent derrière les meilleures horloges atomiques, et les raisons de ce retard comptent autant que le résultat.

Répéter et compter

Toute horloge repose sur deux éléments : un phénomène qui se répète et un système qui compte ces répétitions. Un pendule oscille, et le quartz d'une montre vibre trente-deux mille sept cent soixante-huit fois par seconde. Plus la répétition est rapide et régulière, plus l'horloge découpe finement le temps.

La seconde atomique

Aujourd'hui, la seconde officielle est fixée par un atome. Ce sont neuf milliards cent quatre-vingt-douze millions six cent trente et un mille sept cent soixante-dix oscillations du signal micro-onde auquel répond le césium. Les horloges à fontaine, comme celle-ci au Nist, lancent vers le haut un nuage d'atomes de césium refroidis par laser et vérifient que la fréquence micro-onde correspond toujours aux atomes. Les horloges optiques, plus récentes, utilisent la lumière plutôt que les micro-ondes : elle oscille des dizaines de milliers de fois plus vite.

En deux mille vingt-quatre, une horloge au strontium du Djaïla affichait une incertitude systématique inférieure à une part sur un milliard de milliards. Les horloges optiques ayant dépassé celles au césium, l'organisme international qui définit la seconde prépare sa redéfinition. La décision est prévue pour deux mille trente.

Le point faible : les électrons

Toutes ces horloges écoutent la même chose : des électrons qui changent de niveau d'énergie dans la partie externe de l'atome. Les électrons sont en périphérie, donc les champs électriques et magnétiques parasites, ainsi que la chaleur, peuvent perturber leur rythme. C'est pourquoi les meilleures horloges piègent quelques atomes dans le vide, les refroidissent au laser et les blindent avec soin. Le noyau, c'est autre chose.

Il est des dizaines de milliers de fois plus petit que l'atome, et bien moins sensible aux champs qui perturbent les électrons. Mais les noyaux ne changent généralement d'énergie qu'avec des rayons gamma très énergétiques, hors de portée d'un laser de laboratoire.

Le thorium 229

Le thorium fait exception. Un isotope rare, le thorium deux cent vingt-neuf, a un état excité à seulement huit virgule quatre électronvolts environ au-dessus de l'état fondamental. Cet écart correspond à de la lumière ultraviolette du vide, d'une longueur d'onde d'environ cent quarante-huit nanomètres, accessible à un laser. Des physiciens ont proposé une horloge nucléaire fondée sur cette transition en deux mille trois.

Cet état excité n'a été confirmé qu'en deux mille seize, et son énergie mesurée avec la lumière qu'en deux mille vingt-deux. La première excitation laser dans un cristal date de deux mille vingt-quatre.

Une horloge dans un cristal

Le noyau étant si bien protégé, on peut l'insérer dans un solide. Les deux équipes ont placé du thorium deux cent vingt-neuf dans des cristaux de fluorure de calcium de quelques millimètres, maintenus près de la température ambiante. La matière est rare : l'équipe chinoise a fait croître un cristal dans une solution contenant seulement un virgule quatre microgramme de cet isotope. Le thorium deux cent vingt-neuf naît de la désintégration de l'uranium deux cent trente-trois.

Selon Tsinghua, cette rareté ne laissait presque aucune marge pour faire croître un cristal, le tester et recommencer.

Boucler la boucle

Les expériences précédentes excitaient déjà les noyaux de thorium, mais une autre horloge devait piloter le laser. L'équipe de Vienne a fermé la boucle : ce sont désormais les noyaux qui pilotent le laser. Le laser traverse le cristal, et les noyaux n'absorbent la lumière qu'à la bonne fréquence. Si le laser dérive, l'absorption diminue. Un détecteur repère ce changement, et l'électronique corrige le laser.

Voici le schéma publié du système, avec le cristal, le détecteur et la rétroaction qui ferme la boucle. L'horloge a tourné une journée entière sans que personne n'y touche.

Compter les battements

Une horloge doit aussi compter ses battements, et là, c'est un problème. À cent quarante-huit nanomètres, la lumière oscille environ deux millions de milliards de fois par seconde, bien trop vite pour un comptage électronique direct. Les équipes utilisent donc un peigne de fréquences : un laser aux couleurs régulièrement espacées qui, comme les engrenages d'une horloge, réduit la fréquence pour que l'électronique puisse compter les oscillations. À Vienne, une liaison par fibre d'environ dix kilomètres permettait la comparaison avec une horloge à ion d'ytterbium de l'office autrichien de métrologie.

À l'université Tsinghua, une autre équipe a construit sa propre horloge nucléaire, avec une autre façon de produire l'ultraviolet. Deux cristaux cultivés séparément ont donné la même fréquence d'horloge, à environ une part sur dix mille milliards près.

Quelle est sa stabilité ?

Pour évaluer une horloge, les physiciens la comparent à une autre et mesurent les fluctuations de sa fréquence. Ce graphique de l'article viennois montre cette fluctuation, moyennée sur des durées de plus en plus longues. Plus on moyenne longtemps, plus la courbe descend, jusqu'à environ deux parts sur cent mille milliards après quelques heures. Le communiqué de l'université parle d'environ une seconde d'erreur en trente millions d'années, un chiffre extrapolé d'une journée de fonctionnement.

Deux horloges, deux points forts

Ces deux nouvelles horloges n'ont pas la même stabilité. Dans l'article de Tsinghua, ce graphique montre des droites ajustées qui descendent quand la durée de moyenne augmente, comme à Vienne. Avec son meilleur réglage, sa fréquence fluctue environ six fois moins qu'à Vienne, pour une même durée de moyenne. L'horloge de Tsinghua a été comparée à un maser à hydrogène et à une cavité laser ultrastable, via quatre kilomètres de fibre.

À Vienne, l'horloge a fonctionné en boucle fermée une journée entière, et l'équipe a mesuré sa dérive d'un jour à l'autre.

Encore à la traîne

Ça paraît extrême, mais les meilleures horloges optiques restent loin devant. L'équipe de Vienne parle d'un premier prototype, pas encore au niveau des meilleures horloges atomiques optiques du monde. Selon les auteurs, de futurs appareils pourraient gagner environ quatre ordres de grandeur en stabilité. C'est une prévision, pas une mesure.

Le même résultat chaque jour ?

Une autre limite apparaît d'un jour à l'autre, plutôt qu'au cours d'un même essai. Avant chaque essai, il faut réaligner le laser. Son faisceau traverse alors une zone légèrement différente du cristal. La fréquence variait légèrement selon la zone. D'un jour à l'autre, les résultats ne concordaient qu'à environ cinq parts sur dix mille milliards près. Une horloge portable doit donner la même réponse à chaque allumage.

Retour au téléphone

La carte de votre téléphone pourrait-elle un jour en profiter ? Votre téléphone n'a aucune horloge atomique. Il écoute au moins quatre satellites, et calcule ainsi l'erreur de sa propre horloge avec sa position. La justesse des horloges des satellites est contrôlée par des horloges atomiques encore meilleures au sol.

L'article de Tsinghua voit dans ces cristaux de thorium une voie vers des horloges compactes et robustes, dont pourraient profiter satellites et réseaux. Aucun article n'annonce d'amélioration du gé pé esse. Aujourd'hui, la précision d'environ cinq mètres du téléphone dépend aussi de l'atmosphère, des bâtiments et du récepteur.

Des horloges qui mesurent l'altitude

De meilleures horloges peuvent aussi mesurer l'altitude, car le temps passe un peu plus vite quand on s'éloigne de la Terre. En deux mille dix, le Nist a comparé deux horloges optiques et détecté l'écart en soulevant l'une d'environ trente-trois centimètres. Mesurer ainsi les variations du champ de gravité terrestre relève de la géodésie. Il faut donc des horloges transportables jusqu'au lieu de mesure. Une horloge robuste dans un cristal pourrait aider un jour, mais pour les horloges nucléaires, c'est encore une possibilité, pas un résultat.

Un détecteur de matière noire

Les retombées les plus proches concernent la physique. La transition du thorium est particulièrement sensible aux infimes variations des forces qui maintiennent la cohésion de la matière. L'équipe de Vienne a cherché dans une journée de données la faible oscillation régulière que causeraient certains types de matière noire. L'équipe n'a détecté aucun signal, mais les limites obtenues rivalisent déjà avec celles des meilleures horloges atomiques, malgré ce simple prototype.

Ce qu'il faut suivre

Qu'est-ce qui décidera si ces horloges quittent le labo ? Trois points seront décisifs : une fréquence identique chaque jour, une stabilité vraiment améliorée d'un facteur de plusieurs milliers, et un accès plus facile au thorium deux cent vingt-neuf et aux lasers ultraviolets. La prochaine redéfinition de la seconde se prépare autour des horloges atomiques optiques, pas nucléaires. Pour l'instant, le noyau a prouvé qu'il sait mesurer le temps. Reste à vérifier s'il donnera la même heure partout.