La lumière laser traverse le cristal transparent et excite le noyau de thorium. Crédit : James Terhune, Hudson Group, UCLA
Depuis près de 50 ans, les physiciens rêvent des secrets qu’ils pourraient découvrir en élevant l’état énergétique du noyau d’un atome à l’aide d’un laser. Cette découverte permettrait de remplacer les horloges atomiques actuelles par une horloge nucléaire qui serait l’horloge la plus précise qui ait jamais existé, permettant des avancées telles que la navigation et la communication dans l’espace lointain. Elle permettrait également aux scientifiques de mesurer avec précision si les constantes fondamentales de la nature sont réellement constantes ou si elles semblent l’être simplement parce que nous ne les avons pas encore mesurées avec suffisamment de précision.
Aujourd’hui, un projet mené par Eric Hudson, professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA, a accompli ce qui semblait impossible. En enfouissant un atome de thorium dans un cristal hautement transparent et en le bombardant de lasers, le groupe d’Hudson a réussi à faire en sorte que le noyau de l’atome de thorium absorbe et émette des photons comme le font les électrons d’un atome. Cet exploit étonnant est décrit dans un article publié dans la revue Lettres d’examen physique.
Cela signifie que les mesures du temps, de la gravité et d’autres champs actuellement effectuées à l’aide d’électrons atomiques peuvent être réalisées avec une précision bien supérieure. La raison en est que les électrons atomiques sont influencés par de nombreux facteurs dans leur environnement, ce qui affecte la façon dont ils absorbent et émettent des photons et limite leur précision. Les neutrons et les protons, en revanche, sont liés et fortement concentrés dans le noyau et subissent moins de perturbations environnementales.
Grâce à cette nouvelle technologie, les scientifiques pourraient déterminer si des constantes fondamentales, comme la constante de structure fine qui détermine l’intensité de la force qui maintient les atomes ensemble, varient. Des indices issus de l’astronomie suggèrent que la constante de structure fine pourrait ne pas être la même partout dans l’univers ou à tout moment dans le temps. Une mesure précise de la constante de structure fine à l’aide de l’horloge nucléaire pourrait complètement réécrire certaines de ces lois les plus fondamentales de la nature.
« Les forces nucléaires sont si fortes qu’elles signifient que l’énergie dans le noyau est un million de fois plus forte que celle que vous voyez dans les électrons, ce qui signifie que si les constantes fondamentales de la nature s’écartent, les changements qui en résultent dans le noyau sont beaucoup plus importants et plus perceptibles, ce qui rend les mesures d’un ordre de grandeur plus sensibles », a déclaré Hudson.
« L’utilisation d’une horloge nucléaire pour ces mesures fournira le test de « variation constante » le plus sensible à ce jour et il est probable qu’aucune expérience au cours des 100 prochaines années ne pourra le rivaliser. »
Le groupe de Hudson a été le premier à proposer une série d’expériences visant à stimuler des noyaux de thorium-229 dopés en cristaux à l’aide d’un laser. Il a passé les 15 dernières années à travailler pour parvenir aux résultats récemment publiés. Faire réagir les neutrons du noyau atomique à la lumière laser est un défi car ils sont entourés d’électrons, qui réagissent facilement à la lumière et peuvent réduire le nombre de photons capables d’atteindre le noyau. Une particule qui a augmenté son niveau d’énergie, par exemple par absorption d’un photon, est dite dans un état « excité ».
L’équipe de l’UCLA a intégré des atomes de thorium 229 dans un cristal transparent riche en fluor. Le fluor peut former des liaisons particulièrement fortes avec d’autres atomes, les suspendant et exposant le noyau comme une mouche dans une toile d’araignée. Les électrons étaient si étroitement liés au fluor que la quantité d’énergie nécessaire pour les exciter était très élevée, ce qui permettait à la lumière de plus faible énergie d’atteindre le noyau. Les noyaux de thorium pouvaient alors absorber ces photons et les réémettre, ce qui permettait de détecter et de mesurer l’excitation des noyaux.
En modifiant l’énergie des photons et en surveillant la vitesse à laquelle les noyaux sont excités, l’équipe a pu mesurer l’énergie de l’état nucléaire excité.
« Nous n’avons jamais réussi à provoquer de telles transitions nucléaires avec un laser », a déclaré Hudson. « Si vous maintenez le thorium en place avec un cristal transparent, vous pouvez lui parler avec la lumière. »
Selon Hudson, cette nouvelle technologie pourrait être utilisée partout où une précision extrême est requise dans le domaine de la détection, des communications et de la navigation. Les horloges atomiques existantes basées sur les électrons sont des dispositifs de la taille d’une pièce avec des chambres à vide pour piéger les atomes et l’équipement associé au refroidissement. Une horloge nucléaire basée sur le thorium serait beaucoup plus petite, plus robuste, plus portable et plus précise.
« Personne ne s’enthousiasme pour les horloges, car nous n’aimons pas l’idée que le temps soit limité », a-t-il déclaré. « Mais nous utilisons des horloges atomiques tout le temps, tous les jours, par exemple, dans les technologies qui font fonctionner nos téléphones portables et notre GPS. »
Au-delà des applications commerciales, la nouvelle spectroscopie nucléaire pourrait lever le voile sur certains des plus grands mystères de l’univers. La mesure sensible du noyau d’un atome ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre ses propriétés et ses interactions avec l’énergie et l’environnement. Cela permettra aux scientifiques de tester certaines de leurs idées les plus fondamentales sur la matière, l’énergie et les lois de l’espace et du temps.
« Les humains, comme la plupart des formes de vie sur Terre, existent à des échelles soit bien trop petites, soit bien trop grandes pour observer ce qui pourrait réellement se passer dans l’univers », a déclaré Hudson. « Ce que nous pouvons observer depuis notre perspective limitée est un conglomérat d’effets à différentes échelles de taille, de temps et d’énergie, et les constantes de la nature que nous avons formulées semblent se maintenir à ce niveau. »
« Mais si nous pouvions observer plus précisément, ces constantes pourraient en fait varier. Nos travaux ont fait un grand pas en avant vers ces mesures et, d’une manière ou d’une autre, je suis sûr que nous serons surpris de ce que nous apprendrons. »
« Depuis de nombreuses décennies, des mesures de plus en plus précises des constantes fondamentales nous ont permis de mieux comprendre l’univers à toutes les échelles et de développer par la suite de nouvelles technologies qui font croître notre économie et renforcent notre sécurité nationale », a déclaré Denise Caldwell, directrice adjointe par intérim de la direction des sciences mathématiques et physiques de la NSF.
« Cette technique basée sur le noyau pourrait un jour permettre aux scientifiques de mesurer certaines constantes fondamentales avec une telle précision que nous devrons peut-être cesser de les appeler « constantes ». »
Plus d’information:
R. Elwell et al., Excitation laser de la transition isomérique nucléaire Th229 dans un hôte à l’état solide, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.013201. Sur arXiv:DOI: 10.48550/arxiv.2404.12311
Fourni par l’Université de Californie à Los Angeles
Citation:L’expérience laser des physiciens excite le noyau de l’atome et pourrait permettre un nouveau type d’horloge atomique (2024, 2 juillet) récupéré le 2 juillet 2024 à partir de
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