Ce 25 janvier, 2017, image reproduite avec l'aimable autorisation du Dr Ed Marti, montre une horloge à réseau optique au strontium, stocké dans le laboratoire de Jun Ye à l'Université du Colorado, Rocher.
Il faudrait 15 milliards d'années à l'horloge qui occupe le laboratoire du sous-sol de Jun Ye à l'Université du Colorado pour perdre une seconde, à peu près depuis combien de temps l'univers existe.
Pour cette invention, le scientifique sino-américain, avec Hidetoshi Katori du Japon, partagera 3 millions de dollars en tant que co-lauréats du prix Breakthrough 2022 en physique fondamentale.
Travailler en autonomie, les deux ont développé des techniques utilisant des lasers pour piéger et refroidir les atomes, puis exploiter leurs vibrations pour entraîner ce que l'on appelle des "horloges à réseau optique, " les pièces de chronométrage les plus précises jamais construites.
Par comparaison, les horloges atomiques actuelles perdent une seconde tous les 100 millions d'années.
Mais que gagne-t-on à une plus grande précision ?
"C'est vraiment un instrument pour vous permettre de sonder le tissu de base de l'espace-temps dans l'univers, ", a déclaré Ye à l'AFP.
Dans le labo de Ye, des chercheurs ont montré que le temps passe plus lentement lorsque l'horloge est rapprochée du sol de quelques centimètres, en accord avec les prédictions d'Einstein sur la relativité.
Appliqué à la technologie actuelle, ces horloges pourraient améliorer la précision de la navigation GPS par un facteur de mille, ou aider à faire atterrir en douceur un avion spatial sans pilote sur Mars.
Cette photo non datée obtenue le 8 septembre 2021 montre le scientifique sino-américain Jun Ye, l'inventeur d'une horloge ultra-précise.
Une brève histoire du temps
L'amélioration de la précision et de l'exactitude du chronométrage est un objectif depuis les anciens cadrans solaires fabriqués par les Égyptiens et les Chinois.
Une percée clé est venue avec l'invention de l'horloge à pendule en 1656, qui repose sur un poids oscillant pour garder le temps, et quelques décennies plus tard, les chronomètres étaient suffisamment précis pour déterminer la longitude d'un navire en mer.
Le début du 20ème siècle a vu l'avènement des horloges à quartz, qui, lorsqu'ils sont secoués par l'électricité, résonnent à des niveaux très spécifiques, hautes fréquences, ou nombre de ticks par seconde.
Les horloges à quartz sont omniprésentes dans l'électronique moderne, mais sont encore quelque peu sensibles aux variations causées par le processus de fabrication, ou des conditions comme la température.
Le prochain grand saut dans le chronométrage est venu d'exploiter les mouvements d'atomes sous tension pour développer des horloges atomiques, qui sont à l'abri des effets de telles variations environnementales.
Les physiciens savent qu'un seul, à très haute fréquence, des particules appelées électrons qui orbitent autour du noyau d'un type d'atome spécifique passeront à un état d'énergie plus élevé, trouver une orbite plus éloignée du noyau.
Ce 25 janvier, 2017, image reproduite avec l'aimable autorisation du Dr Ed Marti, montre une horloge à réseau optique au strontium, stocké dans le laboratoire de Jun Ye à l'Université du Colorado, Rocher.
Les horloges atomiques génèrent la fréquence approximative qui fait que les atomes de l'élément césium passent à cet état d'énergie plus élevé.
Puis, un détecteur compte le nombre de ces atomes sous tension, ajuster la fréquence si nécessaire pour rendre l'horloge plus précise.
Si précis que depuis 1967, une seconde a été définie comme 9, 192, 631, 770 oscillations d'un atome de césium.
Explorer l'univers, et la Terre
Les laboratoires de Katori et Ye ont trouvé des moyens d'améliorer encore plus les horloges atomiques en déplaçant les oscillations vers l'extrémité visible du spectre électromagnétique, avec des fréquences cent mille fois supérieures à celles utilisées dans les horloges atomiques actuelles, pour les rendre encore plus précises.
Ils ont réalisé qu'ils avaient besoin d'un moyen de piéger les atomes - dans ce cas, de l'élément strontium et les maintenir immobiles à des températures ultra basses pour aider à mesurer le temps correctement.
Si les atomes tombent à cause de la gravité ou se déplacent autrement, il y aurait une perte de précision, et la relativité entraînerait des effets de distorsion sur le chronométrage.
Pour piéger les atomes, les inventeurs ont créé un "réseau optique" fait par des ondes laser se déplaçant dans des directions opposées pour former un stationnaire, forme de boîte à œufs.
Ye est enthousiasmé par l'utilisation potentielle de son horloge. Par exemple, synchroniser les horloges des meilleurs observatoires du monde à la plus petite fraction de seconde permettrait aux astronomes de mieux conceptualiser les trous noirs.
De meilleures horloges peuvent également apporter un nouvel éclairage sur les processus géologiques de la Terre.
La relativité nous dit que le temps ralentit lorsqu'il s'approche d'un corps massif, ainsi une horloge suffisamment précise pourrait faire la différence entre la roche solide et la lave volcanique sous la surface, aider à prédire une éruption.
Ou bien, mesurer le niveau des océans, ou combien d'eau coule sous un désert.
Le prochain grand défi, Tu dis, va miniaturiser la technologie afin qu'elle puisse être déplacée hors d'un laboratoire.
Le scientifique admet qu'il est parfois difficile d'expliquer les concepts fondamentaux de la physique au public.
"Mais quand ils entendent parler d'horloges, ils peuvent sentir que c'est une chose tangible, ils peuvent faire un lien avec ça, et c'est très enrichissant, " il a dit.
© 2021 AFP
