Le noyau atomique vit généralement dans un seul état énergétique, comme une balle posée sur le sol. Mais le thorium-229 fait figure d'exception rare : son noyau peut rester coincé sur une minuscule marche au-dessus du sol — dans ce qu'on appelle l'état isomère. Cette marche est si basse qu'on peut l'atteindre avec de la lumière ordinaire, et non avec un rayonnement dur. C'est pourquoi l'isomère du thorium-229 est devenu le principal candidat pour les horloges nucléaires — des instruments qui mesurent le temps grâce aux oscillations du noyau lui-même, et non des électrons qui l'entourent.
Le problème est de savoir comment amener le noyau sur cette marche. Une visée directe — comme lancer une balle exactement sur une étroite saillie — exige une précision de tireur d'élite et réussit rarement. Les scientifiques ont proposé un chemin détourné : d'abord projeter la balle très haut, puis la laisser retomber et s'accrocher à la marche en redescendant. Dans le monde des atomes, cela ressemble à ceci : un électron percute le noyau et le fait passer à un niveau d'énergie élevé, puis le noyau redescend lui-même en cascade de transitions et, avec une certaine probabilité, s'arrête sur la marche isomère.
Les calculs pour deux dispositifs — les anneaux de stockage (où les ions de thorium tournent en rond) et les pièges à ions à faisceau d'électrons (où les ions sont maintenus dans un nuage d'électrons) — ont montré que la voie en cascade multiplie le rendement en isomères par des dizaines de milliers par rapport à l'excitation directe. Le choc électronique suivi de la cascade donne une amplification allant jusqu'à dix mille, et la capture d'un électron par le noyau, encore plusieurs dizaines de fois. Un tel bond rend la production d'isomères de thorium-229 pratique, et rapproche du même coup la création d'horloges nucléaires.
Le pendule de thorium, si difficile à lancer aujourd'hui, pourrait un jour se balancer dans chaque centre métrologique — et mesurer le temps avec une précision inaccessible aux instruments actuels. Et tout commence par le fait que nous avons appris à capturer l'écho atomique sur la marche de l'échelle énergétique.
L'énergie de l'état isomère du thorium-229 n'est que d'environ 8 électron-volts — c'est moins que l'énergie d'un photon de lumière visible. Pour comparaison, les transitions nucléaires typiques nécessitent des millions d'électron-volts. C'est pourquoi l'isomère peut être excité par un laser, comme un atome ordinaire.
L'idée d'horloges basées sur une transition nucléaire renvoie aux « chronomètres atomiques » de la science-fiction, qui conservent leur précision même dans l'espace profond, où les horloges ordinaires se dérèglent.