Ouvrir la voie aux horloges nucléaires haute performance de demain
De la navigation par satellite aux communications synchronisées, la mesure précise du temps est à la base d’une grande partie des technologies modernes. À la pointe de ce domaine se trouve le thorium 229 (229Th), un isotope rare qui possède un état nucléaire d’énergie exceptionnellement faible, susceptible d’être excité par une lumière laser d’une longueur d’onde d’environ 148 nanomètres. L’incorporation de cet isotope dans un cristal transparent, tel que le fluorure de calcium, pourrait un jour permettre de fabriquer des horloges nucléaires compactes à l’état solide d’une précision extraordinaire. Un obstacle majeur subsiste toutefois: les atomes environnants du cristal modifient les niveaux d’énergie nucléaire. Jusqu’à présent, les effets précis de cet environnement sur la transition nucléaire restaient mal connus. Des travaux de recherche soutenus par les projets ThoriumNuclearClock(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et CC4DYN, financés par l’UE, contribuent à lever cette incertitude en fournissant des données fondamentales pour concevoir la prochaine génération de dispositifs de mesure du temps.
Quatre sites cristallins distincts mis en évidence
Des chercheurs autrichiens, japonais et suisses ont étudié le 229Th incorporé dans des cristaux de fluorure de calcium. À l’aide d’un laser ultraviolet sous vide, l’équipe a réalisé une spectroscopie Mössbauer laser, étendant ainsi au domaine optique une technique traditionnellement utilisée pour étudier les environnements physiques et chimiques des noyaux atomiques. Un détecteur spécialement conçu a permis de supprimer le rayonnement de fond et de mesurer avec une grande précision les faibles signaux nucléaires. Publiés dans la revue «Science», les résultats(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) montrent que le 229Th occupe quatre sites microscopiques distincts au sein du réseau cristallin, chacun étant soumis à un environnement de champ électrique local différent. En combinant la spectroscopie à des calculs fondés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, l’équipe a pu associer des modèles microscopiques aux deux sites prédominants, qui représentaient ensemble plus de 90 % du signal ultraviolet sous vide détecté. «En analysant séparément les spectres nucléaires de chaque site, nous avons mis au point une méthode permettant d’étudier comment les atomes de 229Th s’incorporent dans un solide et comment leur environnement immédiat influence la transition nucléaire», explique Takahiro Hiraki, auteur principal de l’étude et professeur adjoint à l’université d’Okayama, au Japon, dans un article(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) publié sur le site Internet de l’université. «Ces informations sont essentielles pour comprendre et concevoir les environnements cristallins nécessaires aux futures horloges nucléaires à l’état solide.»
Concevoir des cristaux plus performants
Au-delà de l’identification des sites, l’équipe a eu recours à une excitation sélective des sites pour comparer le comportement de l’état nucléaire dans chaque environnement. La durée de vie radiative de l’état excité s’est révélée constante, à environ 630 secondes, sur l’ensemble des sites, mais l’efficacité avec laquelle la lumière laser provoquait l’extinction de cet état variait considérablement d’un site à l’autre. Cette variation est importante, car elle détermine la capacité d’un cristal à préserver l’excitation nucléaire sur laquelle repose le fonctionnement de l’horloge. «Les fortes variations de l’extinction entre les sites montrent que l’environnement cristallin local ne joue pas simplement un rôle de support passif», souligne Koji Yoshimura, auteur principal senior de l’étude et professeur à l’université d’Okayama. «Déterminer quelles structures préservent l’excitation nucléaire et lesquelles favorisent sa disparition nous aidera à définir comment préparer des cristaux plus performants.» L’étude soutenue par les projets ThoriumNuclearClock (Thorium nuclear clocks for fundamental tests of physics) et CC4DYN (A quantum chemical approach to dynamic properties of real materials) établit la spectroscopie Mössbauer laser comme une méthode fiable pour caractériser les environnements microscopiques du thorium dans les solides. Elle jette ainsi les bases de la fabrication d’horloges compactes susceptibles de faire progresser la navigation, les communications synchronisées et de nouvelles formes de mesure de précision. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site Internet du projet ThoriumNuclearClock(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) projet CC4DYN
