Les chercheurs ont déterminé expérimentalement une propriété du cadmium appelée longueur d'onde magique qui est considérée comme essentielle pour le développement des horloges les plus précises jamais envisagées. Les chercheurs espèrent que cela pourrait permettre des horloges atomiques simples et robustes si précises qu'elles pourraient être utilisées pour améliorer notre compréhension des théories actuelles et même tester une nouvelle physique.

A quelle heure le fais-tu ? Et maintenant? Le temps change constamment, mais il ne change pas constamment. Cela semble déroutant, mais depuis l'époque d'Einstein, nous savons que le temps progresse à des rythmes différents selon l'endroit où vous vous trouvez. Ceci est principalement dû à l'effet de la gravité, plus la gravité est forte dans votre voisinage, plus le temps progresse lentement par rapport à l'endroit où la gravité est la plus faible. Pour nous cette différence est imperceptible, mais des horloges atomiques très précises peuvent le mesurer.

Ces différences imperceptibles dans la vitesse du passage du temps sont cependant loin d'être anodines. Des mesures précises du temps peuvent en fait aider les chercheurs à mesurer d'autres quantités correspondantes qui se rapportent à la façon dont le temps s'écoule à un endroit spécifique. Par exemple, étant donné la façon dont l'augmentation de la force gravitationnelle modifie le passage du temps, la densité du matériau sous vos pieds pourrait être mesurée avec précision avec une horloge suffisamment précise. Et ce genre d'information pourrait être utile à ceux qui étudient les volcans, la tectonique des plaques et les tremblements de terre.

Cependant, mesurer le temps avec les précisions requises à de telles fins est un défi extrêmement complexe. Horloges atomiques de pointe basées sur la vibration d'atomes tels que le césium, par exemple, fonctionner avec une incertitude - l'opposé de la précision - de l'ordre de 1 x 10 ^-16 ou jusqu'à 16 décimales. Ceci est extrêmement précis pour la mesure de distance, et est donc utilisé dans la technologie actuelle du système de positionnement global (GPS). Mais les chercheurs s'efforcent d'obtenir une précision encore plus grande, et un type d'horloge peut offrir des incertitudes aussi faibles que 1 x 10 ^-19 ou jusqu'à 19 décimales. L'horloge à réseau optique promet d'offrir une telle précision.

D'abord proposé par le professeur Hidetoshi Katori du Département de physique appliquée en 2001, l'idée est de piéger un grand nombre d'atomes dans un réseau de lasers. Avec de nombreux atomes piégés, leurs vibrations peuvent être mesurées simultanément, ce qui améliore grandement la précision de la mesure du temps. Les isotopes du cadmium sont idéaux car ils ont des propriétés qui aident à réduire le bruit dans ce type de système quantique. Mais pour créer une horloge basée sur ce principe, il y a plusieurs obstacles à surmonter, et les chercheurs viennent de sauter un.

"Nous avons déterminé expérimentalement la "longueur d'onde magique" du cadmium qui est l'un des paramètres essentiels pour faire fonctionner l'horloge à réseau optique, " a déclaré le chercheur Atsushi Yamaguchi de RIKEN. " Dans une horloge en réseau, le réseau optique est créé par des motifs d'interférence de la lumière laser, dont la longueur d'onde est liée aux atomes que le réseau doit contenir. La longueur d'onde optimale ou « magique » pour construire un réseau autour des isotopes de cadmium est d'environ 419,88 nanomètres, ce qui correspond presque exactement à la valeur de 420,10 nanomètres que nous avions initialement prévue."

Une caractéristique importante des isotopes de cadmium qui les rend idéaux pour les horloges en réseau est qu'ils sont plus robustes aux changements de leur environnement que de nombreux autres atomes et isotopes. Une application recherchée par les chercheurs est la possibilité d'effectuer des mesures à différents endroits avec le même appareil, ce qui signifie qu'il doit être relativement portable, donc ça aide à être robuste. Avec la théorie en place, les chercheurs souhaitent maintenant évaluer les performances d'une telle horloge.

"Une évaluation minutieuse et détaillée est nécessaire pour que les scientifiques de différents domaines puissent utiliser cet instrument de haute précision, " a expliqué Katori. " Un tel appareil nous permettra d'étudier et peut-être un jour de remettre en question des idées établies en cosmologie telles que la relativité générale et peut-être même les constantes fondamentales de la nature. "