horloge optique nucléaire

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 tic-tac des horloges atomiques ressemble au battement d'un métronome, mais au lieu d'un pendule, ce sont les oscillations des électrons dans l'atome qui rythment le temps.

La relativité générale, qui décrit la structure de l'Univers, n'interdit pas les boucles temporelles. Mais Stephen Hawking a émis l'hypothèse d'une « protection de la chronologie » : les effets quantiques devraient détruire ces boucles, rendant les voyages dans le passé impossibles.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire.

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

Au plus profond du noyau atomique du thorium-229 se cache un levier bien serré. Pour le faire passer d'une position à l'autre, il faut exercer une force – et cela demande généralement du temps.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

Dans la molécule de benzène, les électrons tourbillonnent autour des noyaux comme un essaim d'abeilles autour de la ruche. Mais cet essaim ne se contente pas de bourdonner — il pulse : toutes les 856 attosecondes, le nuage électronique effectue un cycle complet d'oscillation.

Le pendule oscille avec une telle précision que, s'il comptait les secondes depuis le Big Bang, il n'aurait accumulé qu'une demi-seconde d'erreur à ce jour. Telle est la stabilité du nouveau laser ultraviolet portable — le cœur des horloges atomiques à aluminium.

Dans les sous-sols de quatre instituts européens se trouvaient sept dispositifs — chacun comparable à un diapason d'une précision inimaginable.

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 un coup précis — un faisceau laser d'une couleur bien précise.

Une horloge, ce n'est pas que des aiguilles. Tout noyau atomique est un métronome naturel : il oscille avec une régularité presque parfaite. Si l'on soulève un de ces métronomes de deux mètres, son rythme s'accélère légèrement — c'est la courbure de l'espace-temps prédite par Einstein.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

L'ordinateur quantique maintient les atomes dans des pièges de lumière, comme des billes dans des alvéoles. Pour lire la réponse, il faut photographier chaque atome et déterminer s'il brille ou non. Auparavant, l'analyse d'une telle image prenait tellement de temps que l'ordinateur restait inactif.

Dans une molécule semblable à la chlorophylle et construite à partir de carbone, un atome métallique en son centre agit comme un interrupteur. En le déplaçant de quelques fractions de nanomètre, on peut faire briller la molécule, l'éteindre ou amplifier sa luminosité des centaines de fois.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

Une minuscule particule flotte dans un faisceau laser, comme un grain de poussière dans la lumière d'une lampe de poche. Elle est constamment bousculée par les molécules d'eau, de manière désordonnée, de tous les côtés. D'habitude, ces chocs gênent : la particule s'agite et les mesures précises deviennent une loterie.

Les horloges atomiques ordinaires tiquent lorsqu'un électron saute entre des niveaux d'énergie. Mais les champs extérieurs et les chocs peuvent perturber ce rythme. Les ions hautement chargés — des atomes auxquels on a arraché de nombreux électrons — ne remarquent presque pas ces perturbations : leurs électrons sont profondément et solidement liés.

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.

Un thermomètre qui ne ment pas pendant des années. Les thermomètres à résistance ordinaires, même très précis, finissent par se tromper avec le temps : le matériau vieillit, les contacts s'oxydent, et les lectures dérivent.

Un faisceau laser traverse une cuve en verre contenant de la vapeur de rubidium, et la façon dont les atomes absorbent la lumière révèle leur température. C'est comparable à la mesure de la vitesse des voitures par le flou d'une photo : plus les atomes se déplacent vite, plus la raie d'absorption s'élargit.

Chaque atome a sa propre « voix » : la fréquence de la lumière qu'il émet. Chez les isotopes, des atomes avec un nombre différent de neutrons, les voix diffèrent légèrement. C'est comme dans une chorale : si vous connaissez parfaitement la partition, la moindre fausse note révèle une intervention extérieure.

Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies.

Chauffez une montre à quartz ordinaire de dix degrés et elle se mettra à dériver de plusieurs secondes par jour. Les horloges atomiques sont plus précises, mais elles occupent toute une armoire. Un diamant avec un minuscule défaut — la lacune d'azote — promet la précision d'une horloge atomique dans le volume d'un grain de sable.

Les horloges atomiques classiques reposent sur la spectroscopie — le comptage des oscillations des électrons. Les horloges nucléaires au thorium-229 s'appuient sur le noyau lui-même.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

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.