horloge optique

Une impulsion laser frappe un film mince de MoS₂, et à l'intérieur s'échauffe un nuage d'électrons porteurs d'un excès d'énergie. Ces porteurs chauds ressemblent à des coureurs partis à grande vitesse, mais qui devront perdre tout leur élan en chemin à force de collisions avec le réseau cristallin.

Le chef d'orchestre lève sa baguette, et l'orchestre ne produit pas seulement un son, mais une partition complexe : chaque note résonne à son moment, à sa hauteur, avec le bon volume. La lumière aussi peut être une partition, si l'on contrôle son spectre et son temps. Auparavant, cela nécessitait des installations encombrantes qui ne pouvaient pas être reconfigurées après assemblage.

Un orchestre de cent musiciens joue sans chef. Chaque instrument est parfaitement accordé, mais qu'un seul violon se désaccorde légèrement, et l'harmonie s'effondre.

Un projecteur de théâtre maintient l'acteur dans son faisceau, où qu'il aille. Le radar térahertz dont il est question fait de même avec une impulsion lumineuse courte réfléchie par un objet en mouvement. Les ondes térahertz se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

Le monde quantique ne pardonne pas l'oubli. Jetez une pierre dans un étang — les cercles s'écartent et disparaissent, l'information sur la chute se dissipe sans laisser de trace. En mécanique quantique, tout est différent : l'évolution du système est réversible, et le passé ne s'efface jamais complètement.

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.

Le chronomètre le plus précis du monde fonctionne encore en gardant un œil sur un vieux balancier. Les masers à hydrogène — les meilleurs « volants d'inertie » radiofréquence (des dispositifs qui conservent le rythme entre les comparaisons avec l'étalon) — accumulent des erreurs parce que le bruit entre les mesures s'infiltre dans le signal final.

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.

Une onde lumineuse n'est jamais parfaitement régulière : elle est constamment secouée par une ondulation quantique. Ces secousses presque invisibles ont été étudiées par le prix Nobel Roy Glauber, qui a posé les fondements de l'optique quantique. Aujourd'hui, des physiciens ont appris à figer cette ondulation.

Les horloges atomiques ordinaires ressemblent à un diapason qu'il faut maintenir dans un silence et un calme parfaits. Le moindre mouvement, et la note déraille. Il en va de même pour les atomes : leur mouvement thermique décale la fréquence du rayonnement, et les horloges ultra-précises exigent un arrêt quasi total des particules.

Un pendule qui oscille tout seul, sans qu'on ait besoin de le remonter : dans le monde quantique, ces « pendules » sont appelés cristaux temporels. Leur mouvement rythmique naît spontanément et ne s'amortit pas. Mais jusqu'ici, il était presque impossible de contrôler ce rythme : toute intervention risquait de détruire le fragile équilibre.

Un pendule qui oscille près de cinq cent mille milliards de fois par seconde. Ce n'est pas de la mécanique, c'est le pouls de la lumière capturé par des atomes d'ytterbium. Au lieu d'engrenages, on trouve ici un réseau laser – une onde stationnaire qui maintient les atomes dans ses nœuds, comme des petits pois dans leur cosse.

Un caillou jeté dans un étang fait naître des ronds qui s'étendent dans toutes les directions. Imaginez maintenant que l'étang lui-même se transforme soudain en gelée, et ce, instantanément, plus vite que la vague n'a le temps de former une seule crête.

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.

Dans les grands accélérateurs, les particules traversent les détecteurs en quelques milliardièmes de seconde, et pour les distinguer les unes des autres, il faut un chronomètre d'une précision incroyable.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

Une horloge atomique, c'est un pendule qui tique à la fréquence de la lumière. Dans un piège, un ion d'aluminium est suspendu, et un laser le sonde comme un diapason. Si la fréquence du laser coïncide avec la fréquence propre de l'atome, celui-ci répond. C'est sur cette réponse que l'on règle la marche de l'horloge.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, conduit le courant sans pertes, comme l'eau s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le frappe avec un bref éclair de lumière, il perd rapidement cette propriété.

Un faisceau lumineux qui traverse une plaque transparente conserve généralement sa couleur. Si l'on assemble la plaque à partir de fines couches alternées, elle devient un réseau qui réfléchit et transmet les ondes de manière sélective. On utilise cela depuis longtemps dans les lasers et les filtres optiques.

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.

Si l'on secoue longtemps une boîte de sable, des motifs apparaissent à la surface, motifs qui n'existaient pas lorsque la boîte était immobile. De même, des physiciens ont pris un nuage d'atomes froids, les ont piégés dans un réseau de lumière et ont commencé à le secouer périodiquement. Cela a fait émerger un nouvel état des atomes, comme un nouveau motif sur le sable, qui n'apparaît jamais sans secousse.

Deux horloges dans des pièces différentes doivent tic-tac à l'unisson. Habituellement, on envoie des impulsions lumineuses intenses ou des paires de photons qui arrivent exactement l'un après l'autre. Mais le signal peut être si faible que les photons arrivent à peine.

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.

Un peigne ordinaire sépare les cheveux en mèches régulières. Un « peigne » laser fait de même avec la lumière : il n'émet pas une seule couleur, mais des milliers de couleurs, espacées par des pas de fréquence strictement identiques.

Depuis que Vera Rubin a démontré de manière convaincante que les galaxies sont entourées d'une substance invisible, la quête de la nature de la matière noire reste l'un des défis majeurs de la physique.

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.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

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.

Deux pendules accrochés au même mur, partis en désordre, finissent par battre ensemble au bout d'une heure. C'est une synchronisation de ce type que Christiaan Huygens remarqua en 1665 en observant les horloges de son atelier. Aujourd'hui, son observation se répète en laboratoire, avec une nuance : les pendules ne sont pas en bois, mais quantiques.

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.

Une règle de lumière, c'est ainsi que l'on peut décrire la nouvelle méthode pour mesurer de minuscules délais temporels. En 1987, Chong Ki Hong, Zhe-Yu Ou et [scientist:L.