La seconde est l’unité de mesure définie la plus précisément, par rapport à d’autres unités de base telles que le kilogramme, le mètre et le degré Kelvin. Le temps est actuellement mesuré par des horloges atomiques dans différents endroits du monde, qui, ensemble, nous indiquent l'heure qu'il est. Grâce aux ondes radio, les horloges atomiques envoient en permanence des signaux qui synchronisent nos ordinateurs, téléphones et montres-bracelets.

Les oscillations sont la clé pour garder le temps. Dans une horloge grand-père, ces oscillations proviennent du balancement d'un pendule d'un côté à l'autre chaque seconde, tandis que dans une horloge atomique, c'est un faisceau laser qui correspond à une transition énergétique dans le strontium et oscille environ un million de milliards de fois par seconde.

Mais selon le doctorat. son compatriote Eliot Bohr de l'Institut Niels Bohr, arrière-petit-fils de Niels Bohr, même les horloges atomiques pourraient devenir plus précises. En effet, le laser de détection, utilisé par la plupart des horloges atomiques modernes pour lire l'oscillation des atomes, chauffe tellement les atomes qu'ils s'échappent, ce qui dégrade la précision.

"Parce que les atomes doivent constamment être remplacés par de nouveaux atomes, tandis que de nouveaux atomes sont préparés, l'horloge perd très légèrement du temps. Par conséquent, nous essayons de surmonter certains des défis et limites actuels des meilleures horloges atomiques du monde en , entre autres choses, en réutilisant les atomes afin qu'ils n'aient pas besoin d'être remplacés aussi souvent", explique Bohr qui était employé à l'Institut Niels Bohr lorsqu'il a mené ses recherches, mais qui est maintenant titulaire d'un doctorat. boursier à l'Université du Colorado.

Il est l'auteur principal d'une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Communications. , qui utilise une manière innovante et peut-être plus efficace de mesurer le temps.

Superradiance et refroidissement jusqu'au zéro absolu

La méthodologie actuelle consiste en un four chaud qui crache environ 300 millions d'atomes de strontium dans une boule d'atomes froids extraordinairement froide connue sous le nom de piège magnéto-optique, ou MOT. La température de ces atomes est d'environ -273°C, soit très proche du zéro absolu, et il y a deux miroirs avec un champ lumineux entre eux pour améliorer les interactions atomiques. En collaboration avec ses collègues chercheurs, Bohr a développé une nouvelle méthode pour lire les atomes.

"Lorsque les atomes atterrissent dans la chambre à vide, ils restent complètement immobiles car il fait très froid, ce qui permet d'enregistrer leurs oscillations avec les deux miroirs situés aux extrémités opposées de la chambre", explique Bohr.

La raison pour laquelle les chercheurs n’ont pas besoin de chauffer les atomes avec un laser et de les détruire est due à un phénomène physique quantique appelé « superradiance ». Le phénomène se produit lorsque le groupe d'atomes de strontium est intriqué et émet en même temps de la lumière dans le champ situé entre les deux miroirs.

"Les miroirs font que les atomes se comportent comme une seule unité. Collectivement, ils émettent un signal lumineux puissant que nous pouvons utiliser pour lire l'état atomique, une étape cruciale pour mesurer le temps. Cette méthode chauffe très peu les atomes, donc tout se produit sans remplacer les atomes, ce qui pourrait en faire une méthode de mesure plus précise", explique Bohr.

GPS, missions spatiales et éruptions volcaniques

Selon Bohr, les nouveaux résultats de la recherche pourraient être bénéfiques pour développer un système GPS plus précis. En effet, la trentaine de satellites qui tournent constamment autour de la Terre et nous indiquent où nous sommes ont besoin d'horloges atomiques pour mesurer le temps.

"Chaque fois que les satellites déterminent la position de votre téléphone ou de votre GPS, vous utilisez une horloge atomique dans un satellite. La précision des horloges atomiques est si importante que si cette horloge atomique est décalée d'une microseconde, cela signifie une imprécision d'environ 100 mètres. à la surface de la Terre", explique Bohr.

Les futures missions spatiales sont un autre domaine dans lequel le chercheur prévoit que des horloges atomiques plus précises auront un impact significatif.

"Lorsque des personnes et des engins sont envoyés dans l'espace, ils s'aventurent encore plus loin de nos satellites. Par conséquent, les exigences en matière de mesures temporelles précises pour naviguer dans l'espace sont bien plus grandes", dit-il.

Le résultat pourrait également être utile dans le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques plus petites et portables qui pourraient être utilisées pour bien plus que « simplement » mesurer le temps.

"Les horloges atomiques sont sensibles aux changements gravitationnels et peuvent donc être utilisées pour détecter les changements dans la masse et la gravité de la Terre, ce qui pourrait nous aider à prédire quand les éruptions volcaniques et les tremblements de terre se produiront", explique Bohr.

Bohr souligne que même si la nouvelle méthode utilisant des atomes superradiants est très prometteuse, elle reste une « preuve de concept » qui doit être affinée davantage.

La recherche a été menée par l'équipe de Jörg Helge Müller et Jan Thomsen de l'Institut Niels Bohr, en collaboration avec le Ph.D. les étudiants Sofus Laguna Kristensen et Julian Robinson-Tait, et le postdoctorant Stefan Alaric Schäffer. Le projet comprenait également les contributions des théoriciens Helmut Ritsch et Christoph Hotter de l'Université d'Innsbruck, ainsi que de Tanya Zelevinsky de l'Université de Columbia. Ce travail souligne l'importance de la collaboration internationale dans le domaine des sciences.