Le balancier de ces horloges n'est pas actionné par un ressort ou un poids, mais par une minuscule impulsion à l'intérieur du noyau atomique. Les horloges atomiques ordinaires mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons, mais ici, le balancier est le noyau lui-même — une boule dense de protons et de neutrons. Le thorium-229 possède une transition nucléaire particulière qui peut être « remontée » par la lumière. Si l'on retire presque tous les électrons, l'horloge devient étonnamment propre : moins de pièces, moins de perturbations.
Les auteurs de l'étude poussent cette idée à l'extrême. Dans une variante, on laisse un seul électron à l'ion de thorium — ainsi, les « tics » nucléaires peuvent être comparés aux tics électroniques, comme deux horloges dans un même boîtier. Dans l'autre variante, on retire complètement les électrons, et il ne reste que le noyau nu — un balancier sans poids superflus. Un tel canal ionique n'est plus distrait par des interactions parasites. Il pourrait devenir l'outil le plus précis pour traquer les moindres écarts dans les lois de la physique.
Pour « entendre » les tics d'un tel noyau, les physiciens utilisent la spectroscopie logique quantique. À côté de l'ion de travail, dans le piège (une cage électromagnétique spéciale), on place un second ion auxiliaire. Lorsque le noyau-balancier effectue une transition, son état est lu via le voisin — comme si l'on jugeait du mouvement d'un mécanisme invisible par le tremblement de l'aiguille sur un cadran. Cette astuce permet de comparer des horloges avec différents nombres d'électrons sur un même dispositif et de vérifier si les constantes fondamentales varient selon les conditions.
Ces horloges ne sont pas de simples chronomètres ultra-précis. Ce sont des sondes dans le monde des particules élémentaires : le noyau de thorium n'est composé que de quelques blocs de construction, et son comportement révélera si de nouvelles forces ou des particules inconnues se cachent dans le vide. Pour revenir à l'image du balancier — ce n'est plus un mécanisme d'horloge de clocher, mais un murmure presque immatériel venant du cœur même de la matière.
La transition nucléaire dans le thorium-229 est la plus basse en énergie connue : elle peut être excitée par un laser ultraviolet, et non par un rayonnement gamma comme pour la plupart des noyaux.
Dans le roman « Anathem » de Neal Stephenson, des horloges à transitions nucléaires sont utilisées pour synchroniser des événements lors d'expériences séculaires — un peu comme les chronomètres au thorium proposés.