Un gaz extrêmement froid d’atomes de strontium est piégé dans un réseau de lumière appelé réseau optique. Les atomes sont maintenus dans un environnement à vide ultra-élevé, ce qui signifie qu’il n’y a presque pas d’air ou d’autres gaz présents. Ce vide permet de préserver les états quantiques délicats des atomes, qui sont fragiles. Le point rouge que vous voyez sur l’image est un reflet de la lumière laser utilisée pour créer le piège à atomes. Crédit : K. Palubicki/NIST
Dans la quête constante de la perfection de l’humanité, les scientifiques ont développé une horloge atomique plus précise et plus exacte que n’importe quelle horloge créée auparavant. La nouvelle horloge a été construite par des chercheurs du JILA, une institution conjointe du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université du Colorado à Boulder.
Permettant une navigation précise dans la vaste étendue de l’espace ainsi que la recherche de nouvelles particules, cette horloge est la dernière en date à transcender la simple mesure du temps. Grâce à leur précision accrue, ces garde-temps de nouvelle génération pourraient révéler des gisements minéraux souterrains cachés et tester des théories fondamentales telles que la relativité générale avec une rigueur sans précédent.
Pour les architectes d’horloges atomiques, il ne s’agit pas seulement de construire une meilleure horloge ; il s’agit de percer les secrets de l’univers et d’ouvrir la voie à des technologies qui façonneront notre monde pour les générations à venir.
La communauté scientifique mondiale envisage de redéfinir la seconde, l’unité internationale de temps, en s’appuyant sur ces horloges atomiques optiques de nouvelle génération. Les horloges atomiques de la génération actuelle projettent des micro-ondes sur les atomes pour mesurer la seconde. Cette nouvelle vague d’horloges illumine les atomes avec des ondes lumineuses visibles, qui ont une fréquence beaucoup plus élevée, pour compter la seconde avec beaucoup plus de précision.
Par rapport aux horloges micro-ondes actuelles, les horloges optiques devraient offrir une précision beaucoup plus élevée pour le chronométrage international, avec une perte potentielle de seulement une seconde tous les 30 milliards d’années.
Mais avant que ces horloges atomiques puissent fonctionner avec une telle précision, elles doivent avoir une très haute précision ; en d’autres termes, ils doivent être capables de mesurer des fractions de seconde extrêmement petites. Atteindre à la fois une haute précision et une grande exactitude pourrait avoir de vastes implications.
Piégé dans le temps
La nouvelle horloge JILA utilise un réseau de lumière appelé « réseau optique » pour piéger et mesurer simultanément des dizaines de milliers d’atomes individuels. Le fait de disposer d’un ensemble aussi vaste offre un énorme avantage en termes de précision. Plus le nombre d’atomes mesurés est élevé, plus l’horloge dispose de données pour fournir une mesure précise à la seconde près.
Pour atteindre de nouveaux records de performance, les chercheurs du JILA ont utilisé un « réseau » de lumière laser moins profond et plus doux pour piéger les atomes, par rapport aux horloges à réseau optique précédentes. Cela a permis de réduire considérablement deux sources d’erreur majeures : les effets de la lumière laser qui piège les atomes et les atomes qui se heurtent les uns aux autres lorsqu’ils sont trop serrés.
Les chercheurs décrivent leurs avancées dans un article qui a été accepté pour publication dans Lettres d’examen physique. L’œuvre est actuellement disponible sur le arXiv serveur de préimpression.
Relativité de synchronisation aux plus petites échelles
“Cette horloge est si précise qu’elle peut détecter de minuscules effets prédits par des théories telles que la relativité générale, même à l’échelle microscopique”, a déclaré Jun Ye, physicien du NIST et du JILA. “Cela repousse les limites de ce qui est possible en matière de chronométrage.”
La relativité générale est la théorie d’Einstein qui décrit comment la gravité est causée par la déformation de l’espace et du temps. L’une des principales prédictions de la relativité générale est que le temps lui-même est affecté par la gravité : plus le champ gravitationnel est fort, plus le temps passe lentement.
Cette nouvelle conception d’horloge permet de détecter des effets relativistes sur le chronométrage à l’échelle submillimétrique, soit l’épaisseur d’un cheveu humain. Il suffit de relever ou d’abaisser l’horloge de cette distance minuscule pour que les chercheurs puissent discerner un changement minime dans l’écoulement du temps causé par les effets de la gravité.
Cette capacité à observer les effets de la relativité générale à l’échelle microscopique peut considérablement combler le fossé entre le domaine quantique microscopique et les phénomènes à grande échelle décrits par la relativité générale.
Navigation dans l’espace et avancées quantiques
Des horloges atomiques plus précises permettent également une navigation et une exploration plus précises dans l’espace. À mesure que les humains s’aventurent plus loin dans le système solaire, les horloges devront conserver une heure précise sur de vastes distances. Même de minuscules erreurs de chronométrage peuvent entraîner des erreurs de navigation qui augmentent de manière exponentielle à mesure que vous voyagez.
« Si nous voulons faire atterrir un vaisseau spatial sur Mars avec une précision extrême, nous aurons besoin d’horloges d’une précision bien supérieure à celle dont nous disposons aujourd’hui avec le GPS », a déclaré Ye. « Cette nouvelle horloge est une étape majeure vers la réalisation de cet objectif. »
Les mêmes méthodes utilisées pour piéger et contrôler les atomes pourraient également permettre des percées dans le domaine de l’informatique quantique. Les ordinateurs quantiques doivent être capables de manipuler avec précision les propriétés internes d’atomes ou de molécules individuelles pour effectuer des calculs. Les progrès dans le contrôle et la mesure des systèmes quantiques microscopiques ont considérablement fait progresser cet effort.
En s’aventurant dans le domaine microscopique où se croisent les théories de la mécanique quantique et de la relativité générale, les chercheurs ouvrent la porte à de nouveaux niveaux de compréhension de la nature fondamentale de la réalité elle-même. Des échelles infinitésimales où le flux du temps est déformé par la gravité, aux vastes frontières cosmiques où règnent la matière noire et l’énergie noire, la précision exquise de cette horloge promet d’éclairer certains des mystères les plus profonds de l’univers.
“Nous explorons les frontières de la science de la mesure”, a déclaré Ye. “Lorsque vous pouvez mesurer les choses avec ce niveau de précision, vous commencez à voir des phénomènes sur lesquels nous n’avions pu que théoriser jusqu’à présent.”
Plus d’information:
Alexander Aeppli et al, Une horloge avec 8×10−19 incertitude systématique, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2403.10664
Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie
Cet article est republié avec l’aimable autorisation du NIST. Lisez l’article original ici.
Citation: L’horloge atomique la plus précise et la plus exacte au monde repousse les frontières de la physique (2024, 1er juillet) récupéré le 1er juillet 2024 à partir de
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