Les physiciens de la JILA ont démontré une nouvelle conception d'horloge atomique qui combine un fonctionnement quasi continu avec des signaux forts et une stabilité élevée, des fonctionnalités qui n'étaient pas réunies auparavant dans un seul type d'horloge atomique de nouvelle génération. La nouvelle horloge, qui utilise des "pinces" laser pour piéger, contrôler et isoler les atomes, offre également des possibilités uniques pour améliorer les performances de l'horloge en utilisant les astuces de la physique quantique.

Décrit dans un article qui sera publié en ligne le 12 septembre par la revue Science , la nouvelle plate-forme d'horloge est un réseau de jusqu'à 10 atomes de strontium confinés individuellement par 10 pincettes optiques, qui sont créés par un faisceau laser infrarouge dirigé à travers un microscope et dévié en 10 points.

JILA est un institut conjoint de recherche et de formation géré par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

Alors que les chercheurs de la JILA n'ont pas encore évalué complètement les performances de la nouvelle horloge, les données préliminaires suggèrent que la conception est prometteuse. L'horloge de la pince à épiler est "de service" auto-vérifiant ses performances 96% du temps car elle a besoin de peu de temps d'arrêt pour préparer de nouveaux atomes, et les atomes sont bien isolés, ils sont donc moins susceptibles d'interférer les uns avec les autres. Ces deux atouts sont partagés avec l'une des plus grandes horloges du monde, une horloge basée sur un seul ion (atome chargé électriquement). L'horloge de la pince à épiler peut également fournir les signaux forts et la stabilité d'une horloge en réseau à plusieurs atomes, qui piège les atomes dans une grille de lumière laser.

"La promesse à long terme de la conception de la pince à épiler en tant qu'horloge compétitive est enracinée dans son équilibre unique de ces capacités, ", a déclaré Adam Kaufman, physicien et chef de projet du JILA/NIST.

Les horloges atomiques de nouvelle génération stabilisent la couleur, ou fréquence, d'un laser aux atomes « tic-tac » entre deux niveaux d'énergie. La pince à épiler piège et contrôle les atomes individuellement pour maintenir la stabilité du tic-tac et détecte ce comportement sans les perdre, et peut ainsi réutiliser les mêmes atomes plusieurs fois sans avoir besoin d'en recharger constamment de nouveaux.

"La conception de la pince à épiler résout divers problèmes avec d'autres horloges atomiques, " a déclaré Kaufman. " En utilisant notre technique, nous pouvons conserver des atomes et les réutiliser jusqu'à 16 secondes, ce qui améliore le rapport cyclique (la fraction de temps passé à utiliser le tic-tac des atomes pour corriger la fréquence laser) et la précision. La pince à épiler peut également faire entrer un seul atome très rapidement dans un site de piège, ce qui signifie qu'il y a moins d'interférences et que vous obtenez un signal plus stable pendant plus longtemps."

Les chercheurs du NIST et du JILA construisent des horloges atomiques de nouvelle génération depuis de nombreuses années. Ces horloges fonctionnent à des fréquences optiques, qui sont beaucoup plus élevées que les normes de temps actuelles basées sur les fréquences micro-ondes. La recherche contribue à préparer la future redéfinition internationale de la seconde, qui est basé sur l'atome de césium depuis 1967. Les horloges optiques ont également des applications au-delà du chronométrage, telles que la mesure de la forme de la Terre basée sur des mesures de la gravité (appelée géodésie), à la recherche de la matière noire insaisissable censée constituer la majeure partie de la matière de l'univers, et l'amélioration des sciences de l'information quantique.

Pour créer la pince à épiler, un faisceau laser infrarouge est dirigé dans un microscope et focalisé sur un petit point. Des ondes radio à 10 fréquences différentes sont appliquées séquentiellement à un déflecteur spécial pour créer 10 spots de lumière pour piéger les atomes individuels. Les pièges sont remplis toutes les quelques secondes à partir d'un nuage d'atomes pré-refroidi recouvert de la lumière de la pince à épiler.

Les atomes retenus par la pince à épiler sont excités par un laser stabilisé par une cavité en cristal de silicium, dans laquelle la lumière rebondit à une fréquence spécifique. Cette lumière "laser d'horloge" - fournie par le laboratoire du co-auteur et membre du NIST/JILA Jun Ye - est appliquée perpendiculairement à la lumière de la pince à épiler, avec un champ magnétique appliqué. L'imagerie non destructive révèle si les atomes fonctionnent correctement ; les atomes n'émettent que de la lumière, ou fluorescent, lorsqu'il est dans l'état de basse énergie.

Trop d'atomes dans le système peuvent entraîner des collisions qui déstabilisent l'horloge, donc pour se débarrasser des atomes supplémentaires, les chercheurs appliquent une impulsion lumineuse pour créer des molécules faiblement liées, qui se brisent alors et échappent au piège. Les sites de pince à épiler sont laissés soit avec un atome, soit vides ; à chaque exécution de l'expérience, chaque pince à épiler a environ 50 % de chance d'être vide ou de contenir un seul atome. Avoir au plus un atome par site maintient le tic-tac stable pendant des périodes plus longues.

Comme une pince à épiler en métal ordinaire, les pinces laser offrent un contrôle précis, qui permet aux chercheurs de faire varier l'espacement entre les atomes et de modifier leurs propriétés quantiques. Kaufman a déjà utilisé des pincettes optiques pour « enchevêtrer » deux atomes, un phénomène quantique qui relie leurs propriétés même à distance. La pince à épiler est utilisée pour exciter les atomes afin que leurs électrons soient plus faiblement liés au noyau. Cet état "duveteux" permet de piéger plus facilement les atomes dans des états magnétiques internes opposés appelés spin up et spin down. Ensuite, un processus appelé échange de spin enchevêtre les atomes. Des états quantiques spéciaux tels que l'intrication peuvent améliorer la sensibilité de la mesure et ainsi améliorer la précision de l'horloge.

L'équipe de recherche prévoit maintenant de construire une horloge plus grande et d'évaluer officiellement ses performances. Spécifiquement, les chercheurs prévoient d'utiliser plus de pincettes et d'atomes, avec une cible d'environ 150 atomes. Kaufman prévoit également d'ajouter l'enchevêtrement, ce qui pourrait améliorer la sensibilité et les performances de l'horloge et, dans une demande distincte, peut-être fournir une nouvelle plate-forme pour l'informatique quantique et la simulation.