Réévaluer le Temps et l’Espace – Comment le Thorium est Destiné à Jouer un Rôle

Le concept de temps et d’espace a toujours amusé les scientifiques. Tout ce que nous voyons autour de nous fonctionne dans un cadre temporel et spatial. Albert Einstein a déclaré célèbrement, « Un être humain est une partie du tout, que nous appelons « Univers », une partie limitée dans le temps et l’espace. » 

Cependant, nos évaluations du temps et de l’espace ont continué d’évoluer avec les avancées réalisées en science et notre compréhension philosophique de celui-ci. 

L’une des dernières ajouts à ce flux évolutif, quelque chose qui pourrait changer la donne ou être révolutionnaire, provient des contributions d’une équipe de recherche dirigée par le Prof. Thorsten Schumm de l’Université technique de Vienne (TU Wien). On anticipe que cette recherche pourrait ouvrir la voie à des technologies de haute précision révolutionnaires, y compris des horloges nucléaires. 

Noyau atomique excité par laser: Le cas curieux de la transition du thorium

La communauté scientifique tente depuis longtemps d’atteindre un état très spécifique des noyaux atomiques de thorium qui permettrait de construire des horloges nucléaires plus précises dans la mesure du temps que les meilleures horloges atomiques disponibles aujourd’hui. 

À un niveau plus large, de telles mesures de temps minutieuses aideraient à réévaluer les propositions fondamentales de la physique théorique, y compris la question des constantes de la nature: ces constantes sont-elles sacrées, ou changent-elles dans l’espace et le temps? 

Mesurer le temps avec une telle précision aurait nécessité de connaître l’énergie exacte pour exciter le thorium jusqu’à son point de transition atomique. Grâce à la recherche que nous évoquons, cette énergie est désormais connue avec précision. Ainsi, pour la première fois, il est possible de transférer un noyau atomique dans un état d’énergie supérieur à l’aide d’un laser, puis de suivre son retour à son état d’origine. 

Ce phénomène est également une réalisation pionnière dans la mesure où c’est la première fois que deux domaines distincts de la physique — la physique quantique et la physique nucléaire — peuvent être combinés en un seul. La recherche a nécessité le développement de cristaux contenant du thorium. 

Depuis les années 1970, les scientifiques sont conscients de la possibilité d’un noyau atomique spécial qui pourrait être manipulé avec un laser. Cependant, réussir nécessite de connaître l’énergie de la transition avec une précision extrême. Selon le Prof. Thorsten Schumm:

« Connaître l’énergie de cette transition à moins d’un électron-volt est de peu d’utilité si vous devez atteindre l’énergie exacte avec une précision d’un millionième d’électron-volt pour détecter la transition. » 

Pour réussir cette mission, qui semblait presque impossible à l’époque, l’équipe a développé des cristaux incorporant un grand nombre d’atomes de thorium. 

Fabian Schaden, le chercheur responsable de la conception de ces cristaux à Vienne, a déclaré ce qui suit pour expliquer les complexités impliquées:

 « Bien que cela soit techniquement assez complexe, cela a l’avantage que nous pouvons non seulement étudier des noyaux de thorium individuels de cette manière, mais aussi frapper simultanément environ dix à la puissance dix-sept noyaux de thorium avec le laser – soit environ un million de fois plus que le nombre d’étoiles dans notre galaxie. » 

La présence d’un grand nombre de noyaux de thorium a amplifié l’effet, réduisant le temps de mesure requis et augmentant la probabilité de réellement trouver la transition énergétique. 

Quelle importance cette percée a-t-elle eue: Selon Thorsten Schumm:

« Pour nous, c’est un rêve devenu réalité. » Il a ajouté, « Nous sommes ravis d’être maintenant ceux qui peuvent présenter la percée cruciale: la première excitation laser ciblée d’un noyau atomique. » 

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L’Impact du Succès sur les Concepts de Temps et d’Espace

Le succès obtenu dans cette recherche conduirait à des instruments de précision plus sophistiqués. Les horloges utiliseront l’oscillation de la lumière qui active la transition du thorium pour devenir de nouvelles variantes qui pourraient être plus précises que les meilleures horloges atomiques disponibles aujourd’hui. 

Le phénomène pourrait également aider à analyser les champs gravitationnels de la Terre avec plus de précision, ce qui pourrait aider à localiser des ressources minérales et indiquer l’imminence des tremblements de terre avec une précision accrue. 

Les chercheurs ne sont pas encore sûrs de l’ensemble du spectre des possibilités d’application, mais ils sont convaincus que le potentiel pourrait être illimité. Selon les mots de Thorsten Schumm:

« Notre méthode de mesure n’est que le début. Nous ne pouvons pas encore prédire quels résultats nous obtiendrons avec elle. Ce sera certainement très excitant. »

Cette recherche pourrait grandement bénéficier aux entreprises qui développent des horloges de précision sophistiquées. Voici quelques-unes de ces sociétés. 

#1. Microsemi

Microsemi est reconnue mondialement pour ses capacités en horloges atomiques. Ce sont des horloges dont l’oscillateur électrique est régulé par les fréquences de vibration naturelles d’un système atomique, qui peuvent être des faisceaux d’atomes de césium, des atomes d’ammoniac ou du rubidium. 

Les horloges atomiques de Microsemi sont connues pour offrir plus de 90% de l’entrée au Temps Universel Coordonné (UTC). C’est également le seul fournisseur commercial au monde d’horloges à tube à faisceau de césium, que l’on trouve dans les laboratoires nationaux du monde entier.

L’entreprise se positionne comme le principal fournisseur d’horloges atomiques à cellule à gaz, y compris la Chip Scale Atomic Clock (CSAC), la plus petite et la moins énergivore au monde, ainsi que la Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi affirme que ses horloges atomiques à césium sont particulièrement utiles dans les communications. Ces horloges peuvent soutenir très efficacement la technologie GNSS/GPS pour les applications de fréquence, de temps et de phase. 

Le césium fonctionne avec un décalage par rapport à l’UTC d’une précision de 1×10-12. Cela rend une horloge à césium capable de soutenir le GNSS/GPS sans dégradation des performances pour les applications de fréquence. Elle permet le mode de maintien pour les applications de temps et de phase. 

Cependant, grâce au succès de la recherche sur la « transition du thorium », Microsemi dispose désormais des ressources pour développer une horloge plus précise et finement réglée. 

Dans l’ensemble, Microsemi Corporation est une filiale en pleine propriété de Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Au cours de l’exercice 2023, Microchip a enregistré des ventes nettes de plus de US$8.4 billion. En FY 2023, la société a reversé $1.64 billion à ses actionnaires contre $0.9 billion qu’elle avait reversé en FY 2022.

#2. General Atomics

En octobre 2021, General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) a déclaré avoir achevé la mission Deep Space Atomic de la Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Selon le président de GA-EMS, Scott Forney:

« Le succès de la mission DSAC à bord de l’OTB ouvre la voie à de futurs efforts pour faire progresser les technologies spatiales critiques et les mettre en orbite avec des conceptions de satellites fiables et robustes. »

Le DSAC était une horloge atomique à ions de mercure miniaturisée et superprécise. Selon l’évaluation de General Atomics, elle a démontré une stabilité de chronométrage nettement améliorée par rapport aux autres horloges atomiques en fonctionnement sur les satellites GPS. Elle pouvait mesurer le temps de façon constante sur de longues périodes et soutenir la navigation et l’exploration dans l’espace lointain. 

Il est compréhensible que General Atomics soit une entreprise qui bénéficierait grandement de la recherche sur la « Transition du Thorium ». 

Au cœur de son activité, General Atomics est une société de défense et de technologies diversifiées. En 2023, l’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de US$3.1 billion. 

Alors que l’horloge nucléaire vise à atteindre une plus grande précision, les scientifiques ont continué à développer des solutions qui ont donné naissance à une nouvelle génération d’horloges atomiques. Dans une telle expérience au laser à rayons X European XFEL, les chercheurs ont exploité l’élément scandium. 

Une Horloge Atomique Hautement Précise: Exploiter le Scandium pour des Normes d’Exactitude Extrêmement Élevées

Les chercheurs ont exploité le scandium pour atteindre une précision d’une seconde en 300 billion d’années, ce qui est mille fois plus précis que les normes actuelles des horloges atomiques basées sur le césium.

Tout comme la transition du thorium dont nous avons parlé au début, les chercheurs du European XFEL ont pu exciter une transition prometteuse dans le noyau du scandium. Le scandium est disponible sous forme de feuille métallique à haute pureté ou sous forme de composé d’oxyde de scandium. L’énergie requise pour l’exciter avec précision à cette fin nécessitait des rayons X d’une énergie de 12.4 kiloélectronvolts (keV), soit environ 10,000 fois l’énergie de la lumière visible. 

Il possède une largeur de seulement 1.4 femto-electron volts (eV) et 1.4 quadrillionths d’un electron volt, ce qui représente environ un dixième d’un trillionième de l’énergie d’excitation (10-19). Cela a permis d’atteindre une précision de 1:10,000,000,000,000, équivalente à une seconde en 300 billion d’années.

En expliquant les avantages potentiels de cette recherche et de son succès, les chercheurs ont pu souligner de nombreux points. Par exemple, des horloges atomiques avec une précision améliorée pourraient aider les satellites à être positionnés plus précisément. Les chercheurs ont également mis en avant le potentiel de l’horloge atomique comme ouvrant la voie aux horloges nucléaires du futur. 

Selon le chef de projet de l’expérience, Yuri Shvyd’ko du Argonne National Laboratory aux États-Unis:

« La percée dans l’excitation résonante du scandium et la mesure précise de son énergie ouvrent de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires mais aussi pour la spectroscopie ultra-précise et la mesure précise des effets physiques fondamentaux. »

En développant le potentiel de cette recherche, Olga Kocharovskaya de l’Université Texas A&M aux États‑Unis, initiatrice et responsable du projet, a déclaré:

« Par exemple, une telle précision pourrait permettre d’étudier la dilatation gravitationnelle du temps à des distances sub-millimétriques. Cela permettrait d’étudier les effets relativistes à des échelles de longueur qui étaient jusqu’ici inaccessibles. » 

En résumé, cette innovation, tout comme celle que nous avons lue concernant la transition du thorium, présentait plusieurs avantages. D’une part, ces bénéfices signifiaient appliquer directement le phénomène à la conception de nouvelles solutions. D’autre part, les avantages se manifestaient sous forme de nouveaux horizons ouverts. Dans le domaine de la physique théorique, ces nouvelles voies ouvriraient la voie à des solutions plus efficaces. 

L’Horloge de Précision qui a Exploité le Strontium

Nous avons déjà examiné comment le thorium et le scandium ont été utilisés pour réévaluer le temps et l’espace avec la plus grande précision possible. En 2022, les chercheurs ont exploré le potentiel du strontium à cet égard. 

La recherche comprenait un groupe de scientifiques américains. Ils ont affirmé avoir construit un dispositif 50 fois plus précis que ses homologues horloges atomiques. 

Selon Jun Ye, affilié au National Institute of Standards and Technology (NIST) et à l’Université du Colorado à Boulder, en plus de ses caractéristiques de précision, l’horloge pourrait engendrer des découvertes en mécanique quantique et des paradigmes qui guident la dynamique du monde subatomique. 

La solution a exploité avec succès les réseaux de lumière, appelés réseaux optiques. Ces réseaux peuvent piéger les atomes de manière ordonnée et empêcher les atomes de tomber sous l’effet de la gravité ou de se déplacer, ce qui entraînerait une perte de précision. L’horloge de précision comprenait 100,000 atomes de strontium. Chaque atome est empilé les uns sur les autres en forme de crêpe pour former une hauteur d’environ 1 millimètre. 

En expliquant les caractéristiques fascinantes de l’horloge, Ye a déclaré: 

« L’espace et le temps sont liés. Et avec une mesure du temps aussi précise, vous pouvez voir comment l’espace change en temps réel—la Terre est un corps vivant et animé. »

Comme les autres horloges que nous avons évoquées jusqu’à présent, Ye était enthousiasmé par le potentiel de cette horloge à inaugurer une toute nouvelle ère de la physique. L’horloge pouvait détecter des différences de temps sur 200 microns. Réduites à 20 microns, elles pouvaient examiner plus efficacement la dynamique interne du monde quantique. 

Réévaluer le Temps et l’Espace avec le Thorium et Plus: Mots de Conclusion

Outre l’ouverture de nouvelles dimensions concernant la nature temporelle et spatiale de notre univers, ces horloges ultra-précises remplissent de nombreuses fonctions, notamment l’amélioration de nos systèmes de télécommunication et de navigation. 

Selon Andrew Ludlow, physicien du National Institute of Standards and Technology à Boulder, Colorado:

« Il existe de nombreuses applications [pour les horloges] qui ne nécessitent qu’une très bonne stabilité, et il existe également un éventail d’applications où la simple stabilité ne suffit pas, et où il faut également de la précision. »

Ces dispositifs ultra-sensibles peuvent mesurer chaque petite ondulation du continuum espace-temps. Ils peuvent détecter les ondes gravitationnelles à des fréquences presque inaccessibles à nos solutions conventionnelles. Un dispositif de mesure espace-temps haute performance peut percevoir les plus petites variations gravitationnelles se produisant en profondeur, indiquant des conditions de signal précurseurs d’un séisme ou d’une éruption volcanique. 

En résumé, les possibilités sont illimitées, et les scientifiques pourraient découvrir d’autres éléments comme le thorium, le scandium et le strontium dans les jours à venir, qui révolutionneront notre perception de l’espace et du temps. 

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