Une équipe internationale a fait fonctionner une horloge nucléaire optique fondée sur une transition énergétique au sein du noyau de l’isotope thorium-229. L’horloge a pu surveiller en continu la fréquence du laser et corriger sa dérive. Il s’agit d’un passage de la mesure du phénomène nucléaire en laboratoire à son utilisation comme référence réelle pour régler une horloge, ce qui pourrait contribuer au développement d’instruments plus précis pour mesurer le temps, tester les lois fondamentales de la nature et rechercher la matière noire.
Stabiliser la fréquence du laser grâce à la transition nucléaire
Dans une étude publiée le 7 octobre 2026 dans la revue « Nature », les chercheurs ont annoncé être parvenus à verrouiller en continu la fréquence d’un laser sur la transition énergétique au sein du noyau de thorium.
Lorsque la fréquence du laser commence à s’écarter de la fréquence correcte, l’horloge détecte cette dérive et la corrige automatiquement. Le noyau devient ainsi lui-même la référence qui maintient la stabilité du système.
Luca Tuscani di Col, doctorant en physique à l’université technique de Vienne et premier coauteur de l’étude, a déclaré que l’avancée fondamentale consistait à transformer la transition nucléaire du thorium, phénomène mesurable en laboratoire, en une référence fonctionnelle intégrée à une horloge capable de surveiller et de corriger sa fréquence en continu. Le principe est comparable à celui des horloges atomiques classiques, mais ces dernières reposent sur les transitions des électrons entre différents niveaux d’énergie au sein de l’atome.
Pourquoi le thorium-229 a été choisi pour l’horloge nucléaire
La nouvelle horloge utilise une transition rare située dans le noyau de thorium-229, à une longueur d’onde de 148 nanomètres. L’équipe a choisi cet isotope parce que la transition au sein de son noyau se caractérise par une énergie exceptionnellement faible, ce qui la rend accessible au laser.
Le noyau de l’atome est également moins sensible que les électrons à certaines perturbations extérieures. En outre, la conception de l’horloge permet de placer un très grand nombre de noyaux de thorium dans un petit cristal, plutôt que de dépendre d’un seul atome ou ion. Les chercheurs ont intégré les noyaux de thorium dans un petit cristal de fluorure de calcium fonctionnant à température ambiante, puis y ont fait passer un laser ultraviolet profond.
Lorsque la fréquence du laser s’écarte de celle de la transition nucléaire, la réponse des noyaux présents dans le cristal change, et l’horloge utilise le signal produit pour ramener automatiquement le laser à la bonne fréquence. Pour vérifier les performances du système, l’équipe a comparé l’horloge nucléaire à une autre horloge optique reposant sur un ion d’ytterbium.
Tester la stabilité en comparant l’horloge à l’ytterbium
L’horloge au thorium a fonctionné sans interruption pendant près d’une journée, et l’instabilité de sa fréquence au terme de cette période atteignait environ une partie sur mille billions. Tuscani di Col a expliqué que ce résultat ne signifiait pas que la nouvelle horloge était devenue plus précise que les meilleures horloges atomiques actuellement disponibles.
Il a toutefois souligné que l’avancée résidait dans l’utilisation, pour la première fois, du noyau comme référence réelle au sein d’une horloge nucléaire dotée d’un système de correction continue, plutôt que de se limiter à observer et mesurer la transition nucléaire en dehors d’un système horloger complet. Les chercheurs ont également utilisé l’horloge pour tester des hypothèses liées à la matière noire.
Rechercher des signatures de matière noire avec les deux horloges nucléaires
Selon Tuscani di Col, certaines théories postulent l’existence de particules ou de champs ultralégers capables de provoquer d’infimes variations périodiques des constantes fondamentales de la nature. Ces variations pourraient se manifester par une légère oscillation de la fréquence de l’horloge. L’équipe a comparé la fréquence de l’horloge au thorium à celle de l’horloge à l’ytterbium pendant près de 23 heures, à la recherche de variations périodiques d’une durée comprise entre environ 20 secondes et une journée.
La comparaison n’a révélé aucun signal statistiquement significatif attestant la présence de matière noire. L’absence de signal a toutefois permis aux chercheurs d’établir de nouvelles limites à la force d’interaction entre certaines formes hypothétiques de matière noire et la matière ordinaire. Les résultats ont montré que l’horloge au thorium pouvait désormais rivaliser avec certaines des meilleures horloges atomiques dans les tests portant sur l’interaction de la matière noire avec la lumière.
Dans certains scénarios liés à la force nucléaire forte et aux masses des quarks, les mesures ont amélioré les limites précédentes d’un facteur compris entre 100 et 1000. L’horloge en est encore à un stade précoce de développement: les chercheurs ont constaté que les mesures réalisées à des jours différents ne se reproduisaient pas avec la même précision.
L’équipe estime que cela pourrait s’expliquer par des différences microscopiques au sein du cristal, susceptibles de modifier légèrement la fréquence de la transition nucléaire. De plus, l’expérience de recherche de matière noire a duré moins d’une journée, ce qui limite sa capacité à tester les variations survenues dans l’intervalle temporel couvert par la comparaison.
Les chercheurs s’attendent à ce que l’amélioration du laser et l’augmentation de la qualité des cristaux utilisés accroissent considérablement les performances de l’horloge à l’avenir.
