Des chercheurs du Center for Quantum Technologies de l'Université nationale de Singapour construisent une horloge atomique unique en son genre utilisant l'élément lutétium. Crédit :Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Comme les horlogers choisissant des matériaux de qualité supérieure pour construire une belle pièce d'horlogerie, Des physiciens du Center for Quantum Technologies (CQT) de l'Université nationale de Singapour ont identifié un atome qui pourrait leur permettre de construire de meilleures horloges atomiques. Le rapport de l'équipe CQT en Communication Nature qu'un élément auparavant négligé, le lutétium, pourrait améliorer les meilleures horloges d'aujourd'hui. Le lutétium (Lu) est une terre rare de numéro atomique 71.
"La performance ultime d'une horloge se résume aux propriétés de l'atome - à quel point l'atome est insensible à son environnement. J'appellerais le lutétium le meilleur de sa catégorie, " dit Murray Barrett, qui a dirigé la recherche. Données dans le papier de l'équipe, publié le 25 avril dans Communication Nature , montre que le lutétium a une sensibilité à la température inférieure à celle des atomes utilisés dans les horloges aujourd'hui. Ces mesures s'ajoutent aux résultats antérieurs montrant que cela pourrait être la base d'une horloge haute performance.
Les horloges atomiques ont établi la norme mondiale pour mesurer le temps depuis plus d'un demi-siècle. Mais puisque le second a été défini en référence aux atomes de césium dans les années 1960, il y a eu une concurrence mondiale pour améliorer la précision et la stabilité des horloges atomiques. Les signaux horaires des horloges au césium prennent toujours en charge le système de positionnement global et aident à synchroniser les réseaux de transport et de communication, mais des atomes de beaucoup d'autres espèces, comme l'ytterbium, aluminium et strontium, rivalisent désormais pour faire les mesures de temps les plus précises.
Ces horloges de nouvelle génération, avec des incertitudes autour d'un milliard de milliards, font leurs preuves dans les tests de physique fondamentale, des mesures de la gravité à la recherche de dérives dans les constantes fondamentales. Le 'tick' d'une horloge atomique ne vient pas directement de l'atome, mais de l'oscillation d'une onde lumineuse. La fréquence d'oscillation est fixée en la verrouillant à la fréquence de résonance de l'atome. En pratique, cela signifie qu'un laser est réglé pour faire sauter l'un des électrons de l'atome d'un niveau d'énergie bas à un niveau d'énergie plus élevé. La quantité d'énergie que ce saut prend est une propriété fixe de l'atome. La fréquence du laser est adaptée pour fournir juste la bonne quantité d'énergie dans une seule particule lumineuse (un photon). Une fois ce sweet spot trouvé, l'horloge compte le temps en mesurant les oscillations de l'onde lumineuse.
Regardez au cœur d'une horloge atomique. Ici, un seul atome est piégé dans la chambre à vide métallique avec la fenêtre ronde. Le tic de l'horloge provient d'un laser réglé pour interagir avec cet atome. Crédit :Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Les horloges au césium fonctionnent à une fréquence micro-ondes - ou exactement 9, 192, 631, 770 ticks par seconde. La génération la plus récente d'horloges atomiques fonctionne à des fréquences optiques, qui coche une dizaine, 000 fois plus rapide. Le comptage du temps par incréments plus petits permet une mesure plus précise.
Le lutétium fonctionnera également à des fréquences optiques, mais il y a plus à faire de bonnes horloges qu'un tick rapide - ces ticks doivent également être stables dans le temps. C'est là que le lutétium peut briller.
Une source d'imprécision de la fréquence d'horloge est la sensibilité à la température de l'environnement entourant l'atome. Barrett et ses collègues viennent de mesurer la force de ce « décalage du rayonnement du corps noir » pour les transitions d'horloge dans le lutétium. L'effort de six mois, impliquant un laser de forte puissance comme ceux utilisés pour la découpe industrielle, a donné un résultat pour le décalage du rayonnement du corps noir pour une transition de niveau d'énergie qui est plus proche de zéro que pour n'importe quelle horloge atomique optique établie.
"Nous avons définitivement montré que le lutétium est la moins sensible à la température de toutes les horloges atomiques établies, " dit le premier auteur Kyle Arnold. Cela rendra non seulement une horloge de laboratoire plus précise, mais aussi rendre plus pratiques les horloges qui sortent des labos, leur permettant de fonctionner dans un plus large éventail d'environnements.
Dans des articles antérieurs, l'équipe a signalé d'autres propriétés du lutétium pertinentes pour la construction d'horloges, constatant qu'ils peuvent rivaliser avec les meilleurs atomes d'horloge d'aujourd'hui. "Si vous pouvez construire une bonne horloge vraiment en ytterbium, vous construirez inévitablement une meilleure horloge au lutétium, ou au moins ce sera un travail plus facile pour vous de construire une horloge au lutétium qui est tout aussi bonne, " dit Barrett. Pour l'instant, les chercheurs travaillent sur des horloges à ions simples, mais finalement, ils aimeraient faire des horloges basées sur des réseaux ou des réseaux de nombreux ions. Ils commencent par le lutétium en vrac sous la forme d'une feuille de métal blanc argenté avant de faire bouillir quelques atomes dans leur appareil.
Les membres de l'équipe ne connaissent aucun autre groupe travaillant avec le lutétium. L'une des raisons pour lesquelles le lutécium n'a pas été essayé est qu'il nécessitait une nouvelle technique, découvert par Barrett et ses collaborateurs, d'annuler certaines sources d'imprécision de l'horloge. Cette « technique de moyenne hyperfine » est décrite dans des articles antérieurs. "Je ne pense pas que ce soit de toute façon trop technique, chose difficile à faire, mais je pense que les gens attendent de voir comment cela fonctionne, " dit Barrett.
