Des équipes à Vienne et à Pékin construisent les premières horloges nucléaires fonctionnelles au thorium-229

Un nouveau mécanisme de mesure du temps

Les horloges atomiques servent de référence mondiale pour le temps depuis plus de 70 ans, suivant le mouvement des électrons entre les états d'énergie pour coordonner la navigation par satellite et les réseaux de télécommunication. Deux équipes de recherche indépendantes, l'une dirigée par l'Université technique de Vienne (TU Wien) et l'institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) allemand, l'autre à l'Université Tsinghua de Pékin, ont construit les premières horloges nucléaires en fonctionnement. Publiés dans Nature le 7 octobre 2026, les deux systèmes mesurent le temps en suivant les transitions au sein du noyau atomique du thorium-229 plutôt que des couches électroniques externes. Le concept remonte à une proposition formulée en 2003 par Ekkehard Peik, au PTB, qui avait identifié le thorium-229 comme le seul isotope connu dont la transition nucléaire est accessible par la lumière laser. Parce que les noyaux atomiques sont environ 10 000 à 100 000 fois plus petits que les atomes entiers et liés par les forces nucléaires fortes, ils restent protégés des champs électriques externes, des interférences magnétiques et des variations de température.

Des prototypes de lasers auto-stabilisés

Transformer la transition nucléaire en instrument de mesure autonome exigeait de résoudre la stabilité du laser et la correction automatisée de la fréquence. En avril 2024, des chercheurs de la TU Wien et du PTB ont observé la transition du thorium induite par laser, puis, à l'automne suivant, ils ont couplé le dispositif d'excitation à une horloge atomique optique classique servant de chronomètre. La dernière avancée établit un système autonome qui utilise le cristal de thorium-229 pour auto-stabiliser le laser sans horloge atomique externe. Une boucle de rétroaction interne surveille en continu le laser et corrige les écarts de fréquence à l'échelle de quelques secondes. L'auteur principal, Thorsten Schumm, a décrit l'exigence technique d'un fonctionnement autonome :

Le secret était de faire fonctionner la rétroaction à l'échelle de quelques secondes seulement.

Le prototype autrichien a maintenu sa stabilité pendant plus de 24 heures sans intervention humaine. Simultanément, l'équipe chinoise dirigée par Shiqian Ding a démontré que deux horloges nucléaires distinctes, construites avec des réseaux cristallins différents, produisaient des fréquences de résonance identiques.

Objectifs de précision et défis liés au laser

Les premiers prototypes atteignent un niveau de précision équivalent à la perte d'une seconde tous les 30 millions d'années, soit celui des horloges atomiques standard utilisées dans les systèmes de navigation par satellite. Ils restent en retrait des meilleures horloges atomiques optiques de laboratoire, dont une horloge au lutétium de l'Université de Singapour qui perd une seconde en 55 milliards d'années. Le principal obstacle technique réside dans la génération de lumière ultraviolette sous vide, qui reste inefficace et ne fournit qu'une puissance laser relativement faible au cristal de thorium. Thorsten Schumm a souligné que les premiers prototypes visent d'abord à établir la faisabilité :

Il est tout à fait normal qu'un nouveau type d'horloge ne surpasse pas immédiatement toutes les technologies existantes ; il s'agit d'une première preuve de concept, et ce qui compte, c'est le potentiel d'améliorations futures.

Les chercheurs estiment que l'ajout de lasers plus puissants permettra à terme aux horloges nucléaires d'atteindre une précision d'une seconde en 550 milliards d'années, dix fois plus précises que les instruments atomiques existants.

Sonder les constantes physiques fondamentales

Au-delà des progrès en métrologie, les horloges nucléaires offrent des plateformes expérimentales pour étudier la physique fondamentale et rechercher la matière noire, qui représente environ 83 % de la matière de l'univers. Si des particules de matière noire en passage interagissent avec le noyau de thorium, elles pourraient induire des perturbations de fréquence mesurables dans le cycle régulier de l'horloge. Daniel de Mercado, physicien en métrologie au Centre espagnol de métrologie, qui développe des horloges optiques au calcium-40, a souligné la portée expérimentale plus large des mesures de fréquence précises :

Les fréquences des transitions atomiques et nucléaires dépendent des constantes et des forces fondamentales de la nature, de sorte qu'une mesure extrêmement précise permet de rechercher de petits écarts entre la valeur observée et ce que prédisent nos théories.

Les physiciens comptent utiliser ces mesures pour vérifier si les constantes physiques fondamentales restent invariantes dans le temps ou dérivent sous l'effet d'interactions fondamentales inconnues.