Un nouveau type d'horloge atomique est plus précis que tout autre encore construit, avec la possibilité de fonctionner en douceur pendant mille fois la durée de vie de l'univers. En plus d'être le meilleur chronométreur à ce jour, la nouvelle horloge dite à gaz quantique pourrait un jour offrir un aperçu de la nouvelle physique.
Les chercheurs de JILA (anciennement également connu sous le nom de Joint Institute for Laboratory Astrophysics) ont utilisé une combinaison d'atomes de strontium et un ensemble de faisceaux laser pour créer une horloge si précise qu'elle pourrait peut-être mesurer l'interaction de la gravité à des échelles plus petites que jamais. . Ce faisant, il pourrait éclairer la nature de sa relation avec d'autres forces fondamentales, un mystère qui a dérouté les physiciens pendant des décennies.
Les horloges atomiques mesurent le temps en utilisant les vibrations des atomes comme un métronome très précis. Les horloges atomiques actuelles sont désactivées de quelques secondes sur des dizaines de milliards d'années. Cette nouvelle itération reste suffisamment précise pour ne s'éteindre que d'une seconde sur environ 90 milliards d'années.
Pour obtenir ce genre de précision, l'équipe a refroidi des atomes de strontium pour les empêcher de se déplacer et de se heurter les uns les autres - quelque chose qui peut dissiper leurs vibrations. Tout d'abord, ils ont frappé les atomes avec des lasers. Lorsqu'ils sont frappés par les photons dans les lasers, les atomes absorbent leur énergie et réémettent un photon, perdant de l'énergie cinétique et se refroidissant. Mais cela ne les a pas suffisamment refroidis. Pour les refroidir encore plus, l'équipe s'est appuyée sur le refroidissement par évaporation, permettant à certains des atomes de strontium de s'évaporer et d'accepter encore plus d'énergie. Ils se sont retrouvés avec entre 10 000 et 100 000 atomes, à une température de seulement 10 à 60 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ou moins 459 degrés Fahrenheit (moins 273 degrés Celsius).
Les atomes froids ont été piégés par un arrangement 3D de lasers. Les faisceaux ont été installés pour interférer les uns avec les autres. Ce faisant, ils ont créé des régions d'énergie à potentiel faible et élevé, appelées puits potentiels. Les puits agissent comme des cartons d'œufs empilés, et chacun contient un atome de strontium.
Les atomes sont devenus si froids qu'ils ont cessé d'interagir les uns avec les autres - contrairement à un gaz normal, dans lequel les atomes courent au hasard et rebondissent sur leurs semblables, ces atomes refroidis restent tout à fait immobiles. Ils commencent alors à se comporter d'une manière qui ressemble moins à un gaz qu'à un solide, même si la distance entre eux est beaucoup plus grande que ce qui se trouve dans le strontium solide.
"De ce point de vue, c'est un matériau très intéressant; il a maintenant des propriétés comme s'il s'agissait d'un état solide", a déclaré à Live Science Jun Ye, chef de projet, physicien à l'Institut national des normes et de la technologie. (JILA est géré conjointement par le NIST et l'Université du Colorado à Boulder.)
À ce stade, l'horloge était prête à commencer à garder le temps: les chercheurs ont frappé les atomes avec un laser, excitant l'un des électrons en orbite autour du noyau du strontium. Parce que les électrons sont régis par les lois de la mécanique quantique, on ne peut pas dire dans quel niveau d'énergie l'électron se trouve une fois qu'il est excité, et peut seulement dire qu'il a une probabilité d'être dans l'un ou l'autre. Pour mesurer l'électron, après 10 secondes, ils ont tiré un autre laser sur l'atome. Ce laser mesure où l'électron est situé autour du noyau, lorsqu'un photon du laser est réémis par l'atome - et combien de fois il a oscillé pendant cette période (les 10 secondes).
Faire la moyenne de cette mesure sur des milliers d'atomes est ce qui donne à cette horloge atomique sa précision, tout comme la moyenne des battements de milliers de pendules identiques donnera une idée plus précise de ce que devrait être la période de ce pendule.
Jusqu'à présent, les horloges atomiques n'avaient que des "chaînes" d'atomes uniques par opposition à un réseau 3D, de sorte qu'elles ne pouvaient pas prendre autant de mesures que celle-ci, a déclaré Ye.
"C'est comme comparer des montres", a expliqué Ye. "En utilisant cette analogie, l'impulsion laser sur les atomes déclenche une oscillation cohérente. Dix secondes plus tard, nous réactivons l'impulsion et demandons à l'électron:" Où êtes-vous? "" Cette mesure est calculée en moyenne sur des milliers d'atomes.
Il est difficile de garder les électrons dans cet état intermédiaire, a déclaré Ye, et c'est une autre raison pour laquelle les atomes doivent être si froids, afin que les électrons ne touchent accidentellement rien d'autre.
L'horloge peut essentiellement mesurer des secondes jusqu'à 1 partie en billions. Cette capacité fait plus qu'un très bon chronométreur; cela pourrait aider à rechercher des phénomènes tels que la matière noire, a déclaré Ye. Par exemple, on pourrait mettre en place une expérience dans l'espace en utilisant une minuterie aussi précise pour voir si les atomes se comportent différemment de ce que prédisent les théories conventionnelles.
L'étude est détaillée dans le numéro du 6 octobre de la revue Science.
