Thorium-229 : vers une nouvelle génération d’horloges ultra-précises

Les horloges atomiques actuelles, qui servent notamment à la navigation par satellite et à la définition de la seconde, exploitent les transitions électroniques des atomes. Mais les physiciens explorent aujourd’hui une approche encore plus ambitieuse : l’horloge nucléaire, qui exploite non plus les transitions des électrons, mais celles du noyau atomique, appelées transitions nucléaires.

Dans une horloge atomique classique, la fréquence de référence est obtenue en exploitant la différence d’énergie entre deux niveaux électroniques d’un atome. Pour une horloge nucléaire, le principe est exactement le même, mais ce sont cette fois deux états du noyau atomique qui sont utilisés.

Le noyau du thorium-229 possède une propriété exceptionnelle : il existe un état excité situé seulement quelques électronvolts au-dessus de l’état fondamental, soit une énergie des millions de fois plus faible que pour les transitions nucléaires habituelles. Cette faible énergie correspond à une fréquence dans le domaine de l’ultraviolet lointain, accessible avec des lasers modernes.

Le matériau au cœur de cette révolution est l’isotope radioactif thorium-229. Contrairement à tous les autres noyaux atomiques connus, celui-ci possède un état excité d’une énergie exceptionnellement faible, accessible à l’aide de lasers de laboratoire classiques. Cette propriété unique permet d’utiliser directement les oscillations du noyau atomique comme référence temporelle.

L’intérêt majeur du thorium-229 provient du fait que le noyau atomique est beaucoup mieux isolé de son environnement que les électrons qui gravitent autour. Les perturbations extérieures – champs électriques, variations de température ou interactions chimiques – ont donc beaucoup moins d’influence sur la fréquence de référence. Une horloge nucléaire pourrait ainsi être encore plus stable et plus précise que les meilleures horloges optiques actuelles.

Les chercheurs envisagent deux approches : piéger individuellement des ions de thorium ou incorporer un grand nombre d’atomes dans un cristal solide. Cette seconde solution pourrait conduire à des dispositifs plus compacts et robustes, ouvrant la voie à des horloges ultra-précises embarquées dans des satellites ou des instruments de terrain.

Au-delà de la mesure du temps, ces horloges pourraient aussi devenir des outils uniques pour tester les lois fondamentales de la physique. Leur extrême sensibilité permettrait notamment de rechercher d’éventuelles variations des constantes fondamentales de la nature ou de détecter des phénomènes encore inconnus, comme certaines formes de matière noire.

Après plusieurs décennies de recherches, l’excitation directe du noyau de thorium-229 par laser a récemment été démontrée, marquant une étape décisive vers la réalisation pratique des premières horloges nucléaires.

Le fonctionnement envisagé est le suivant :

1. Un ensemble d’atomes ou d’ions contenant du thorium-229 est préparé dans un état bien défini.
2. Un laser ultraviolet éclaire ces atomes.
3. Tant que la fréquence du laser n’est pas exactement celle de la transition nucléaire, le noyau ne réagit pratiquement pas.
4. Lorsque la fréquence du laser coïncide précisément avec la différence d’énergie entre les deux états nucléaires, le noyau absorbe les photons et passe dans son état excité.
5. Un système de détection observe cette excitation nucléaire (par exemple via les modifications des états électroniques induites par le noyau excité).
6. Une boucle d’asservissement ajuste continuellement la fréquence du laser afin de le maintenir exactement sur la résonance nucléaire.

La fréquence du laser asservi devient alors la référence de temps de l’horloge.

Pour le thorium-229, cette fréquence est de l’ordre de 2 × 10^15 Hz (environ 2 pétahertz), soit plusieurs centaines de milliers de milliards d’oscillations par seconde.

L’intérêt majeur est que le noyau est extrêmement compact (environ 100 000 fois plus petit que l’atome entier) et largement protégé des perturbations extérieures. Sa fréquence naturelle est donc potentiellement plus stable que celle des transitions électroniques utilisées dans les horloges atomiques actuelles.

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