Dans une réalisation révolutionnaire, des chercheurs ont utilisé la lumière laser pour élever le noyau d'un atome de thorium à un niveau d'énergie plus élevé pour la première fois dans l'histoire. Cet exploit scientifique ouvre la voie à une nouvelle génération d'horloges atomiques qui promettent une précision inégalée, permettant potentiellement d'explorer les forces les plus fondamentales de l'univers.
Les horloges atomiques, les dispositifs de mesure du temps les plus précis connus, fonctionnent sur un principe fascinant de la physique quantique. Elles utilisent des atomes pour mesurer le temps avec une extrême précision, semblable à un système solaire miniature où des électrons orbitent autour d'un noyau. Lorsqu'un électron absorbe l'énergie d'un laser finement réglé, il peut 'sauter' à un niveau d'énergie supérieur, émettant un photon lorsqu'il revient à son état d'origine. Cette fréquence d'émission est incroyablement stable, fournissant une mesure fiable du temps.
Cependant, les horloges atomiques traditionnelles ont des limites. Les électrons sur lesquels elles reposent sont sensibles aux interférences extérieures, telles que les champs magnétiques parasites, qui peuvent subtilement altérer leurs niveaux d'énergie et perturber la mesure du temps. C'est là qu'interviennent les horloges nucléaires, qui utiliseraient des transitions d'énergie à l'intérieur du noyau lui-même, les protégeant de telles perturbations.
Historiquement, le défi résidait dans le fait que les écarts d'énergie entre les niveaux nucléaires sont significativement plus importants que ceux des électrons, rendant difficile l'utilisation de lasers pour ces transitions. Dans les années 1970, des scientifiques ont identifié un isotope particulier du thorium, le thorium-229, qui semblait se situer dans la plage que la lumière laser pouvait stimuler. Cependant, préciser la différence d'énergie exacte représentait un obstacle majeur.
Après des décennies de recherche, les scientifiques ont finalement réussi à observer le thorium-229 effectuant ce saut d'énergie, démontrant un changement d'énergie précis de 8,35574 électrons-volts. Cela a été réalisé en utilisant des techniques sophistiquées pour piéger les atomes de thorium dans des cristaux de fluorure de calcium, créant des conditions idéales pour l'observation.
Cette avancée représente un bond en avant dans notre capacité à explorer les mystères de l'univers avec une précision sans précédent. La maîtrise des transitions d'énergie du thorium-229 nous rapproche d'une ère où les horloges nucléaires pourraient non seulement mesurer le temps, mais aussi éclairer des questions fondamentales sur l'énergie noire et la matière noire.
Publiée dans la revue Physical Review Letters, cette étude marque une étape significative dans la quête de précision en matière de mesure du temps et notre compréhension du cosmos.