Le noyau de l'atome de thorium-229 est comme une corde de guitare tendue : il vibre à une fréquence strictement définie. Pour en « tirer le son », il faut une frappe précise — un faisceau laser d'une couleur bien précise. L'idée elle-même plonge ses racines dans la découverte de la radioactivité par Ernest Rutherford et Marie Curie.
Tout comme la caisse de résonance d'une guitare, une cavité cristalline microscopique amplifie à de multiples reprises la lumière provenant du laser et « fait vibrer » efficacement les noyaux de thorium. Les éclairs de lumière qu'ils émettent sont les futurs « tics » d'horloges ultra-précises. Cette approche est devenue possible grâce aux méthodes de spectroscopie laser — la science de l'interaction entre la lumière et la matière.
Les expériences ont montré que l'incorporation du thorium dans un cristal cause des dommages acceptables. Une voie est tracée vers des horloges nucléaires entièrement solides sur puce, sans chambres à vide. Le développement s'appuie sur le modèle standard de la physique nucléaire et sur la photométrie pour détecter la lumière. De telles horloges promettent une révolution dans la navigation par satellite, le calcul quantique et les tests des lois fondamentales.
L'état excité du noyau de thorium-229 vit près de deux heures — une éternité à l'échelle nucléaire. Cela permet de mesurer ses oscillations avec une précision inégalée.
Dans le roman « Carbone modifié », la synchronisation interstellaire des consciences repose sur des horloges atomiques. Les horloges nucléaires sur puce pourraient rapprocher cette science-fiction de la réalité.