Un laser accordable excite une résonance à bande extrêmement étroite dans un ion Yb+ d'une horloge atomique. La fonction d'onde électronique de l'état excité de l'ion est indiquée en jaune. Deux ions avec des fonctions d'onde qui sont orientés à angle droit sont interrogés au moyen d'une lumière laser avec un décalage de fréquence réglable pour mesurer une éventuelle différence de fréquence. L'ensemble du dispositif expérimental tourne avec la Terre une fois par jour par rapport aux étoiles fixes. Crédit :Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Dans sa théorie de la relativité restreinte, Einstein a formulé l'hypothèse selon laquelle la vitesse de la lumière est toujours la même, quelles que soient les conditions. Cela pourrait, cependant, possible que, selon les modèles théoriques de la gravitation quantique, cette uniformité de l'espace-temps ne s'applique pas aux particules. Les physiciens ont maintenant testé cette hypothèse avec une première comparaison à long terme de deux horloges optiques à l'ytterbium à la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Avec ces horloges, dont l'erreur n'est que d'une seconde en dix milliards d'années, il devrait être possible de mesurer des écarts même extrêmement faibles du mouvement des électrons dans l'ytterbium. Mais les scientifiques n'ont détecté aucun changement lorsque les horloges étaient orientées différemment dans l'espace. En raison de ce résultat, la limite actuelle pour tester la symétrie spatio-temporelle au moyen d'expériences a été considérablement améliorée d'un facteur 100. En plus de cela, l'incertitude de mesure systématique extrêmement faible des horloges optiques à l'ytterbium inférieure à 4 × 10 -18 a été confirmé. L'équipe composée de physiciens de la PTB et de l'Université du Delaware a publié ses résultats dans le numéro actuel de La nature .
C'est l'une des expériences de physique les plus célèbres de l'histoire :dès 1887, Michelson et Morley ont démontré ce qu'Einstein a exprimé plus tard sous la forme d'une théorie. A l'aide d'un interféromètre rotatif, ils ont comparé la vitesse de la lumière le long de deux axes optiques se déplaçant verticalement l'un par rapport à l'autre. Le résultat de cette expérience est devenu l'un des énoncés fondamentaux de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein :la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions de l'espace. Maintenant, on pourrait se demander :cette symétrie de l'espace (qui a été nommée d'après Hendrik Antoon Lorentz) s'applique-t-elle également au mouvement des particules matérielles ? Ou existe-t-il des directions le long desquelles ces particules se déplacent plus rapidement ou plus lentement bien que l'énergie reste la même ? Surtout pour les hautes énergies des particules, les modèles théoriques de la gravitation quantique prédisent une violation de la symétrie de Lorentz.
Maintenant, une expérience a été réalisée avec deux horloges atomiques afin d'étudier cette question avec une grande précision. Les fréquences de ces horloges atomiques sont chacune contrôlées par la fréquence de résonance d'un seul Yb + ion stocké dans un piège. Alors que les électrons de l'Yb + les ions ont une distribution à symétrie sphérique dans l'état fondamental, à l'état excité, ils présentent une fonction d'onde nettement allongée et se déplacent donc principalement dans une direction spatiale. L'orientation de la fonction d'onde est déterminée par un champ magnétique appliqué à l'intérieur de l'horloge. L'orientation du champ a été choisie pour être approximativement à angle droit dans les deux horloges. Les horloges sont solidement montées dans un laboratoire et tournent avec la Terre une fois par jour (plus exactement :une fois toutes les 23,9345 heures) par rapport aux étoiles fixes. Si la vitesse des électrons dépendait de l'orientation dans l'espace, cela se traduirait donc par une différence de fréquence entre les deux horloges atomiques qui se produirait périodiquement, avec la rotation de la Terre.
Pour pouvoir différencier clairement un tel effet de toute influence technique possible, les fréquences du Yb + les horloges ont été comparées pendant plus de 1000 heures. Au cours de l'expérimentation, aucun changement entre les deux horloges n'a été observé pour la gamme accessible de durées de période allant de quelques minutes à 80 heures. Pour l'interprétation théorique et les calculs concernant la structure atomique de l'Yb + ion, L'équipe de PTB a travaillé en collaboration avec des théoriciens de l'Université du Delaware (USA). Les résultats aujourd'hui obtenus ont permis d'améliorer les limites fixées en 2015 par des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley avec Ca + ions drastiquement par un facteur de 100.
Moyenné sur le temps total de mesure, les deux horloges présentaient un écart de fréquence relatif inférieur à 3 × 10 -18 . Cela confirme l'incertitude combinée de l'horloge qui avait été précédemment estimée à 4 × 10 -18 . Par ailleurs, c'est une étape importante dans la caractérisation des horloges atomiques optiques à ce niveau de précision. Ce n'est qu'après environ dix milliards d'années que ces horloges pourraient s'écarter l'une de l'autre d'une seconde.
