Le noyau de thorium-229 possède une propriété unique parmi tous les nucléides connus :il devrait être possible de l'exciter avec de la lumière ultraviolette. À ce jour, on sait peu de choses sur l'état de basse énergie du noyau Th-229 qui est responsable de cette propriété. Avec leurs collègues de Munich et Mayence, des chercheurs de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ont maintenant effectué les toutes premières mesures - à l'aide de méthodes optiques - de certaines propriétés importantes de cet état nucléaire, telles que la forme de sa distribution de charge. De cette façon, une excitation laser du noyau atomique peut être surveillée, permettant ainsi de réaliser une horloge nucléaire optique qui « tique » plus précisément que les horloges atomiques actuelles. Les scientifiques ont rendu compte de leurs résultats dans le numéro actuel de La nature .

Il y a une quinzaine d'années déjà, Ekkehard Peik et Christian Tamm développaient le concept d'une nouvelle horloge atomique qui avait des propriétés uniques au PTB à Braunschweig :au lieu d'utiliser une fréquence de transition entre deux états de la couche électronique comme générateur d'impulsions de leur horloge, comme c'est le cas dans toutes les horloges atomiques utilisées aujourd'hui, ils ont envisagé d'utiliser une fréquence de transition dans le noyau. Parce que les protons et les neutrons du noyau sont plus denses que les électrons de la couche atomique de plusieurs ordres de grandeur, ils réagissent moins sensible aux perturbations extérieures qui peuvent changer leurs fréquences de transition - offrant ainsi de bonnes conditions pour une horloge de haute précision.

Cependant, les fréquences des transitions nucléaires sont également beaucoup plus élevées que celles des transitions de coque (dans le domaine des rayons X); Pour cette raison, ils sont inutilisables pour les horloges atomiques, lequel, à ce jour, ont été basés exclusivement sur les micro-ondes ou la lumière laser. La seule exception connue, et le fondement de la proposition de PTB, est le noyau du thorium-229. Ce noyau possède une quasi-stable, état nucléaire isomère à une énergie d'excitation exceptionnellement faible. Ainsi, une transition existe entre l'état fondamental et cet isomère, qui est dans la gamme de fréquences de la lumière ultraviolette, et donc à la portée d'une technologie laser similaire à celle utilisée dans les horloges atomiques optiques actuelles.

Plus d'une dizaine de groupes de recherche dans le monde travaillent actuellement sur des projets concernant la faisabilité d'une horloge nucléaire au thorium-229. En termes expérimentaux, cette question s'est avérée extrêmement difficile. Pour cette raison, aucun succès n'a été obtenu jusqu'à présent dans l'observation de la transition nucléaire par des méthodes optiques, car la connaissance de l'énergie d'excitation précise de l'isomère n'a été qu'approximative. "Comme souhaité pour l'horloge, la résonance de la transition est extrêmement nette et ne peut être observée que si la fréquence de la lumière laser correspond précisément à la différence d'énergie des deux états. Le problème ressemble donc à la recherche proverbiale d'une aiguille dans une botte de foin, " dit le Dr Peik.

En 2016, Les partenaires de coopération du Dr Peik à la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) à Munich ont rendu compte de leur première percée dans La nature :Pour la première fois, ils ont pu prouver la transition nucléaire au sein du noyau thorium-229, même si les méthodes qu'ils utilisaient étaient très différentes de celles utilisées pour une horloge atomique.

Ce projet de recherche collaborative - qui, en plus des scientifiques du PTB et du LMU, comprend également des scientifiques de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, l'Institut Helmholtz de Mayence et le GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - a maintenant franchi une nouvelle étape décisive :pour la première fois, il a été possible de mesurer des propriétés de base telles que la taille et la forme de la distribution de charge dans l'état excité du noyau Th-229. À cette fin, les noyaux Th-229 n'étaient pas excités à partir de leur état fondamental (comme cela arrivera à l'avenir dans l'horloge); au lieu, dans un dispositif développé par LMU, ils ont été obtenus à l'état excité à partir de la désintégration alpha de l'uranium-233, ralenti et stocké sous forme d'ions Th2+ dans un piège à ions. Une source d'uranium 233 appropriée à cet effet a été fournie par les groupes de Mayence et de Darmstadt. Grâce aux systèmes laser développés au PTB pour la spectroscopie de ces ions, il était possible de mesurer avec précision les fréquences de transition dans la couche électronique. Parce que ces fréquences sont directement influencées par les propriétés nucléaires, ils peuvent être utilisés pour obtenir des informations sur ces propriétés. À ce jour, les modèles basés uniquement sur la théorie n'ont pas été en mesure de prédire comment la structure du noyau Th-229 se comportera au cours de cette transition inhabituellement basse énergie. Par ailleurs, parce que la structure de la couche électronique est plus facile à mesurer en utilisant la spectroscopie, il est devenu possible de l'utiliser pour mettre en évidence une excitation laser du noyau.

Cependant, même si cela ne signifie pas que la recherche de la fréquence de résonance optique du noyau Th-229 (l'"aiguille dans la botte de foin") est terminée, nous savons maintenant à quoi ressemble réellement l'aiguille, nous rapprochant significativement de l'horloge atomique optique.