Comment fonctionnent les horloges nucléaires – et pourquoi elles surpassent les horloges atomiques

Le prochain bond en avant dans la mesure du temps

Les meilleures horloges atomiques actuelles perdent environ une seconde tous les 30 milliards d'années. Cela semble déjà absurde, mais les physiciens veulent faire mieux. Une nouvelle génération de garde-temps, appelée horloge nucléaire, promet une précision jusqu'à dix fois supérieure en mesurant les changements d'énergie au plus profond du noyau atomique, au lieu de le faire dans le nuage électronique environnant. Après des décennies de travaux théoriques, de nombreuses équipes de recherche aux États-Unis, en Europe, en Chine et au Japon se lancent désormais dans une course pour construire le premier prototype pratique.

Comment les horloges atomiques mesurent le temps

Toute horloge de précision a besoin d'un « tic » fiable. Dans une horloge atomique, ce tic provient des électrons qui sautent entre les niveaux d'énergie lorsqu'ils sont frappés par des micro-ondes ou de la lumière laser à la fréquence exacte. Les scientifiques règlent le laser jusqu'à ce que les atomes absorbent au maximum, puis comptent les cycles d'onde de la lumière. Plus la fréquence est élevée, plus la règle est fine, et plus l'horloge est précise.

Mais les électrons orbitent loin du noyau, ce qui les rend sensibles aux champs électriques et magnétiques parasites, aux variations de température et à d'autres bruits environnementaux. Même le meilleur blindage ne peut éliminer toutes les perturbations.

Passer au nucléaire : un tic plus petit et plus stable

Une horloge nucléaire fonctionne selon le même principe, mais cible une transition à l'intérieur du noyau, où les protons et les neutrons sont regroupés par la force nucléaire forte. Le noyau étant environ 100 000 fois plus petit que le nuage électronique, il est beaucoup plus protégé des interférences extérieures. Cet isolement naturel signifie moins de perturbations et, en théorie, une référence de fréquence beaucoup plus stable.

Le problème réside dans l'énergie. La plupart des transitions nucléaires nécessitent des rayons X ou des rayons gamma, des fréquences beaucoup trop élevées pour un laser pratique. Pendant des décennies, cela a fait des horloges nucléaires une curiosité théorique.

Pourquoi le thorium-229 change tout

Parmi tous les isotopes connus, le thorium-229 est unique. Il possède un état nucléaire métastable, appelé isomère, à une énergie extraordinairement basse d'environ 8,4 électronvolts. Cela place la transition à portée des lasers ultraviolets sous vide, le type que les scientifiques peuvent réellement construire et contrôler sur une table.

Identifier cette énergie a nécessité des décennies de travail minutieux. Comme le physicien Eric Hudson de l'UCLA l'a déclaré à Nature, trouver la fréquence de transition revenait à chercher une aiguille dans une botte de foin d'un ordre de grandeur supérieur à n'importe quelle botte de foin littérale. Une expérience marquante de 2024 à JILA, un partenariat NIST-Université du Colorado, a finalement mesuré la transition nucléaire du thorium-229 avec une précision un million de fois supérieure à toute tentative précédente, établissant ainsi le premier lien de fréquence direct entre une transition nucléaire et une horloge atomique.

De la curiosité de laboratoire à l'appareil pratique

Les récentes percées ont accéléré le calendrier. Les chercheurs ont découvert que le dépôt électrolytique de minuscules quantités de thorium sur de l'acier peut remplacer les cristaux délicats, ce qui simplifie considérablement l'ingénierie. Une approche à l'état solide, qui consiste à intégrer des noyaux de thorium à l'intérieur d'un réseau cristallin, signifie que des milliers d'émetteurs peuvent être regroupés, ce qui amplifie le signal tout en gardant l'appareil suffisamment compact pour un déploiement sur le terrain.

Près d'une douzaine d'équipes dans le monde assemblent actuellement les composants clés : des sources radioactives de thorium-229 et de puissants lasers ultraviolets à ondes continues. Les premières mesures d'horloges nucléaires sont largement attendues en 2026, les physiciens prévoyant que les appareils matures pourraient éventuellement résoudre 20 ou 21 chiffres de fréquence, ne perdant qu'une seconde sur des billions d'années.

Ce que les horloges nucléaires pourraient débloquer

La mesure du temps ultra-précise a des conséquences qui vont bien au-delà de la ponctualité :

• GPS et navigation — Une précision de positionnement au centimètre, voire au millimètre, profiterait aux véhicules autonomes, à l'agriculture de précision et aux technologies d'assistance aux personnes malvoyantes.
• Détection de la matière noire — La matière noire interagit différemment avec les noyaux qu'avec les électrons. La comparaison d'une horloge nucléaire avec une horloge atomique pourrait révéler de subtiles dérives de fréquence que les détecteurs conventionnels ne détectent pas.
• Physique fondamentale — La transition nucléaire du thorium étant sensible à la fois à la force forte et à la force électromagnétique, les horloges nucléaires peuvent tester si les soi-disant constantes de la nature, telles que la constante de structure fine, restent véritablement constantes dans le temps.

Un tic qui vaut la peine d'attendre

Les horloges nucléaires ne remplaceront pas les horloges atomiques du jour au lendemain. Le meilleur prototype actuel ne résout que 12 chiffres de fréquence, contre 18 pour les meilleures horloges atomiques optiques. Mais la communauté des physiciens est optimiste quant à la possibilité de combler rapidement cet écart à mesure que la technologie laser et la manipulation du thorium s'améliorent. Le cas échéant, l'horloge nucléaire pourrait devenir l'instrument le plus précis que l'humanité ait jamais construit, et une nouvelle fenêtre sur les mécanismes les plus profonds de l'univers.