Un film mince de dioxyde de thorium, d'une épaisseur de seulement 10 nanomètres, est déposé sur un disque d'acier. Une impulsion laser le frappe, mais au lieu de la luminescence attendue, le détecteur capte un flux d'électrons. C'est ainsi que, pour la première fois, on a pu observer la transition nucléaire du thorium-229 dans un matériau qui absorbe entièrement son propre rayonnement. Le noyau invisible s'est exprimé dans le langage des électrons.

La transition du thorium-229 est unique : son énergie est si faible que le noyau peut être excité par un laser ordinaire réglé sur une longueur d'onde d'environ 148 nanomètres. Mais jusqu'à présent, ces expériences n'étaient réalisées que dans des cristaux transparents au vide ultraviolet, comme le fluorure de calcium ou le fluorure de thorium. La transparence était une condition indispensable, sinon le photon émis par le noyau ne pourrait pas sortir et ne pourrait pas être détecté. Cela limitait le choix des matériaux et empêchait d'étudier de nombreux composés du thorium, comme son oxyde ThO2.

La nouvelle approche utilise un autre canal de désintégration du noyau excité, la conversion interne. Le noyau transfère son énergie non pas à un photon, mais à l'un de ses propres électrons, qu'il éjecte de sa couche. L'électron sort du matériau et peut être capté par un détecteur. Ainsi, la transition nucléaire devient audible même dans un milieu opaque. Dans l'expérience, une plaque à microcanaux a été utilisée pour collecter les électrons à l'aide de champs électriques et magnétiques. Pour éliminer les photoélectrons parasites, la cible était alternativement chargée positivement et négativement, et le détecteur était activé avec un délai après l'impulsion laser. En balayant la fréquence du laser, un pic de résonance a été observé à 2020407,5 GHz, ce qui est cohérent avec les mesures dans les cristaux transparents.

La durée de vie mesurée de l'état isomère, 12,3 microsecondes, est d'un ordre de grandeur inférieure à l'estimation théorique pour un cristal massif. Cette différence s'explique par des défauts et des effets de surface. Mais même une telle durée de vie permet d'estimer l'instabilité potentielle d'une horloge nucléaire à base de ThO2 : environ 2×10⁻¹⁸ par seconde de moyennage. C'est le niveau des meilleures horloges atomiques, mais dans un dispositif qui pourrait tenir sur une puce.

La méthode de spectroscopie par électrons de conversion lève une limitation fondamentale : désormais, pour la spectroscopie nucléaire du thorium, non seulement les cristaux transparents conviennent, mais aussi les oxydes, les nitrures et d'autres composés à bande interdite étroite. Il devient possible d'étudier comment l'environnement local du noyau, phonons, structure électronique, défauts, influence la fréquence de transition et la vitesse de conversion. Et à terme, de créer une horloge nucléaire à lecture électrique : les électrons de conversion génèrent un courant qui peut être mesuré directement, sans optique encombrante.

Le film mince sur le disque d'acier se transforme en capteur capable de capter le signal d'un phare invisible, la transition nucléaire. Un phare qui, auparavant, ne pouvait être vu que dans un milieu transparent, est désormais audible même dans l'obscurité.