Les horloges atomiques modernes sont les outils de mesure les plus précis actuellement disponibles. Les meilleurs instruments actuels ne s'écartent que d'une seconde en 30 milliards d'années. Cependant, même ce niveau de précision extraordinaire peut être amélioré. En effet, une horloge basée sur un état nucléaire excité du thorium-229 devrait permettre d'augmenter la précision du chronométrage d'un autre ordre de grandeur.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par le physicien Peter Thirolf de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich avec des collaborateurs institutionnels a franchi une étape importante vers une telle horloge. La nouvelle étude est publiée dans la revue La nature .

Dans le journal, les auteurs rapportent qu'ils ont réussi à quantifier l'énergie libérée par la désintégration du noyau excité de thorium-229, qui est un préalable essentiel à la réalisation d'une horloge nucléaire à base de thorium.

Contrairement aux horloges atomiques actuelles, qui utilisent des oscillations dans les couches électroniques externes des atomes, les horloges nucléaires utilisent des oscillations dans le noyau comme leur garde-temps. Dans les deux cas, les oscillations sont le produit de transitions entre des niveaux d'énergie définis, qui peut être excité par la lumière laser d'une longueur d'onde spécifique. Typiquement, les énergies nécessaires pour exciter les oscillations dans la grande majorité des noyaux atomiques sont de plusieurs ordres de grandeur plus élevées que celles nécessaires pour stimuler les transitions dans les couches orbitales des électrons, ce qui exclut l'utilisation de lasers conventionnels à cette fin. Cependant, il n'y a qu'un seul candidat viable pour le développement d'une horloge nucléaire :le noyau de thorium-229. Son état excité est situé à une énergie qui est de loin la plus basse de tous les états trouvés dans les quelque 3800 noyaux atomiques actuellement connus. Irradiation aux UV, qui est dans la capacité des lasers maintenant disponibles, est suffisant pour peupler cet état excité.

Cependant, jusqu'à maintenant, l'énergie précise requise pour générer le thorium-229 excité est restée inconnue. « Pour induire la transition nucléaire, la longueur d'onde de la lumière laser doit être réglée pour correspondre exactement à l'énergie de transition. Nous avons maintenant réussi à mesurer cela avec précision pour la première fois, " dit Benoît Seiferle, auteur principal du nouveau document.

Pour ces mesures, réalisée au LMU, les auteurs de l'étude ont utilisé le cation thorium-229 doublement chargé. Des sources fournissant ce cation à l'état nucléaire excité ont été développées à Mayence puis placées à l'intérieur d'un piège à ions dédié développé au LMU. L'état excité du cation a une durée de vie de quelques heures. Ceci est relativement long pour un état nucléaire excité et est crucial pour le développement futur de l'horloge, mais cela gêne la mesure de l'énergie de désintégration. "Cette longue durée de vie signifie que la désintégration à l'état fondamental ne se produit que rarement. Comme la mesure de cette désintégration était le but de notre expérience, nous avons exploité le fait que la désintégration se produit rapidement lorsque les cations ont la possibilité de collecter les électrons manquants, " dit Seiferle.

Pour fournir des électrons, Seiferle et ses collègues ont guidé les ions à travers une couche de graphène. Sur son chemin à travers cette couche, chaque ion capte deux électrons et émerge comme un atome neutre de l'autre côté. Grâce à cette étape de neutralisation contrôlée, l'état excité décroît ensuite jusqu'à l'état fondamental en quelques microsecondes. Les atomes neutralisés expulsent un électron d'une couche atomique externe, générant ainsi un ion thorium-229 chargé positivement. L'énergie cinétique de l'électron libre dépend de l'énergie d'excitation de l'état nucléaire et est déterminée à l'aide d'un spectromètre à électrons. Cependant, cette énergie n'est qu'une fraction de l'énergie utilisée pour générer l'état nucléaire excité. Le reste reste dans le thorium-229, ce qui rend l'interprétation du spectre résultant complexe. Pour contourner ce problème, les auteurs basés à l'Institut Max-Planck de physique théorique à Heidelberg ont calculé les spectres attendus. A l'aide de ces prédictions, et en collaboration avec leurs collègues de Vienne et de Bonn, l'équipe de Munich a alors pu déterminer l'énergie réellement associée à la désintégration de l'état nucléaire excité.

Le résultat indique que le noyau de thorium-229 peut être excité à ce niveau par irradiation avec une lumière laser à une longueur d'onde d'environ 150 nanomètres. Maintenant, des lasers spécialement conçus pour émettre dans cette gamme de longueurs d'onde peuvent être construits. Cette étape rapprochera beaucoup la première horloge nucléaire de la réalisation pratique. Les chercheurs pensent qu'une horloge nucléaire à base de thorium ouvrira de nouvelles voies dans les sciences fondamentales, mais trouvera aussi de nombreuses applications, qui ne deviennent possibles que sur la base de mesures extrêmement précises dans le domaine temporel.