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Towards a nuclear clock with Thorium-229

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Il est temps de passer à la meilleure horloge du monde

Au cours de l’histoire, les hommes ont cherché à mesurer le temps de la façon la plus précise possible. Inspirée par cette quête, une initiative de l’UE a conçu une horloge scientifique beaucoup plus précise que les meilleures horloges utilisées dans les laboratoires les plus prestigieux du monde.

Économie numérique

Les meilleures horloges atomiques actuelles ne perdant qu’une seconde tous les 30 milliards d’années, il s’agit des dispositifs de mesure les plus précis jamais construits. Les horloges atomiques extrêmement précises des satellites de navigation fournissent les signaux du système de positionnement global que nous utilisons quotidiennement. Ce type d’horloge est toutefois extrêmement délicat et ne peut être utilisé que dans des laboratoires spécialisés.

Mesurer le temps avec la plus grande précision possible

«Pour continuer à améliorer la précision du positionnement jusqu’à l’échelle du centimètre, nous avons besoin d’horloges encore plus précises, mais suffisamment compactes et robustes pour être utilisables dans des applications de terrain», indique le professeur Thorsten Schumm, coordinateur projet nuClock, financé par l’UE. Les scientifiques de ce projet ont proposé une nouvelle approche conceptuelle, en remplaçant les transitions électroniques habituellement utilisées dans les horloges atomiques par une transition nucléaire très particulière dans un atome de thorium-229. Au lieu de se servir des électrons d’un atome, ils ont utilisé le noyau de thorium-229 afin d’obtenir une meilleure précision. «Cette horloge nucléaire a non seulement le potentiel de surpasser les horloges atomiques existantes en termes de précision, mais elle se montre également intrinsèquement plus résistante aux perturbations.» L’une des principales motivations sous-jacentes à ce concept d’horloge nucléaire était liée au fait qu’il soit possible d’en faire une version à l’état solide. Cela présente d’énormes avantages, notamment en matière de robustesse, d'empreinte environnementale et de production en série. L’équipe nuClock a montré que l’énergie de transition de l’horloge nucléaire était effectivement compatible avec une telle approche. Les partenaires du projet ont prouvé qu’il était possible et envisageable de concevoir une horloge nucléaire. Ils ont en particulier déterminé l’énergie de transition du thorium-229 qui servira à l’horloge ainsi qu’un large éventail de paramètres nucléaires différents, dont les valeurs étaient jusqu’ici inconnues. Ils ont également mis au point le système laser requis opérant dans le domaine V-UV (ultraviolets ne se propageant pas dans le vide). Grâce au projet nuClock, ces systèmes sont maintenant disponibles sur le marché.

Il est grand temps que les horloges nucléaires surpassent leurs homologues atomiques existantes

Le professeur Schumm explique que, jusqu’à l’arrivée de nuClock, «il n’y avait jamais eu une telle coordination des efforts de recherche dans ce domaine, les équipes étaient dispersées et il n’existait pas de véritable communauté». Le projet a bénéficié des techniques et des infrastructures de ses partenaires. Les équipes ont notamment eu accès à des installations de recherche de grande envergure, à des détecteurs de pointe jamais encore utilisés dans un tel contexte ainsi qu’au développement de lasers de niveau industriel. Le thorium-229, composant central de l’horloge nucléaire, est extrêmement rare: seuls quelques milligrammes de ce matériau sont disponibles sur l’ensemble de la Terre. Pour cette raison, une collaboration étroite a été nécessaire pour coordonner et mutualiser l’acquisition et le traitement du matériau. Ces efforts ont finalement permis de réduire les coûts. «Il faudra certes attendre encore plusieurs années avant que cette horloge nucléaire ne puisse être utilisée dans les transports, mais quand on parle de voitures autonomes ou de trains de marchandises, il s’agit de parvenir à localiser un objet au centimètre près à la surface de la Terre, voire mieux», ajoute-t-il. «De manière générale, un système de positionnement ayant fait l’objet d’une amélioration significative trouvera forcément de nombreuses applications.» «NuClock a fait de l’Europe un acteur incontournable dans le secteur des horloges nucléaires», conclut le professeur Schumm. «Maintenant, il nous faut continuer dans cette voie et garder une longueur d’avance sur nos concurrents.»

Mots‑clés

nuClock, horloge, horloge nucléaire, heure, horloge atomique, thorium-229, système de positionnement

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