Une horloge à réseau optique basée sur des atomes de strontium atteint une précision sans précédent

Des chercheurs du Ye Lab du JILA (le National Institute of Standards and Technology et l’Université du Colorado à Boulder) et de l’Université du Delaware ont récemment créé une horloge à réseau optique de haute précision basée sur des atomes de strontium piégés. Leur horloge, présentée dans un Lettres d’examen physique papier, présente une incertitude systématique totale de 8,1 x 10^-19ce qui représente l’incertitude la plus faible signalée à ce jour.

« Ce document est le fruit de plusieurs décennies de travail au sein du laboratoire Ye pour construire les meilleures horloges », a déclaré Alexander Aeppli, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Mesurer le temps est une tâche fondamentale en physique, et chaque avancée dans la précision et l’exactitude des mesures ouvre la voie à l’étude de nouveaux phénomènes et à la création de nouvelles technologies. »

La plupart des technologies de mesure du temps existantes mesurent spécifiquement la période pendant laquelle un électron oscille dans un atome de césium. Ces instruments sont connus sous le nom d’« horloges atomiques à micro-ondes », car les fréquences des oscillations qu’ils mesurent se situent dans la bande des micro-ondes, ressemblant aux fréquences des oscillations électromagnétiques à l’intérieur d’un four à micro-ondes.

« De nombreuses horloges atomiques récentes, y compris la nôtre, utilisent une transition « optique », où la fréquence de l’oscillation est similaire à la fréquence de la lumière visible », explique Aeppli. « Utiliser une fréquence beaucoup plus élevée revient à utiliser une règle avec des graduations plus fines, subdivisant une seconde en plus et permettant immédiatement un chronométrage plus précis. »

Une grande partie des recherches récentes menées au laboratoire Ye du JILA visait à développer des horloges atomiques capables de mesurer le temps avec une grande précision. La dernière étude d’Aeppli et de ses collègues s’appuie sur les progrès réalisés au laboratoire Ye et dans d’autres instituts du monde entier, qui ont mis en évidence le potentiel de construction d’horloges à réseau optique précises utilisant des atomes de strontium.

« Une horloge classique est composée de trois éléments : un oscillateur, un compteur et une référence », explique Aeppli. « Dans une horloge à pendule classique, l’oscillateur est un pendule qui oscille d’avant en arrière, une fois par seconde. Un ensemble d’engrenages compte ce mouvement et fait avancer les aiguilles des secondes, des minutes et des heures. Enfin, la référence est la position du soleil dans le ciel, où se trouve midi lorsque le soleil est directement au-dessus de nous. »

Les horloges à réseau optique fonctionnent selon les mêmes trois principes que les horloges conventionnelles. Cependant, dans ce type d’horloge, l’oscillateur, le compteur et la référence de fréquence prennent une forme très différente.

Dans les horloges à réseau optique, l’oscillateur est constitué d’un laser ultra-stable, tandis que le compteur est un peigne de fréquence (c’est-à-dire un instrument permettant de mesurer les fréquences optiques en enregistrant le taux de répétition d’une séquence continue d’impulsions lumineuses). La référence de fréquence, quant à elle, est constituée d’atomes piégés, qui dans l’horloge de l’équipe sont spécifiquement des atomes de strontium.

« Le peigne de fréquence est stabilisé par rapport au laser, et le laser est stabilisé par rapport à une transition électronique spécifique dans les atomes de strontium », a déclaré Aeppli.

« Toutes les quelques secondes, nous braquons le laser sur les atomes pendant 2,4 secondes. Si le laser s’écarte de la résonance atomique, nous corrigeons cette dérive. Le peigne de fréquence convertit les fréquences optiques en fréquences micro-ondes, et la beauté de cet appareil est que la stabilité de fréquence de la fréquence micro-ondes est la même que celle des fréquences optiques. »

Une fois que le peigne de fréquences convertit les fréquences optiques en fréquences micro-ondes, les périodes de ces fréquences sont analysées par des moyens électroniques simples pour obtenir une seconde, qui est fondamentalement liée à la fréquence de la transition du strontium. Dans l’horloge développée par Aeppli et ses collègues, les atomes de strontium sont piégés dans une onde lumineuse stationnaire produite par deux miroirs.

« Tout comme un réseau, les atomes sont confinés à cette lumière de manière périodique, avec un groupe de quelques atomes situés tous les 0,5 um », a expliqué Aeppli.

« Cette technologie nous permet de piéger cent mille atomes de strontium à la fois, ce qui signifie que chaque fois que nous effectuons une mesure de la fréquence de transition du strontium, nous pouvons mesurer simultanément de nombreux atomes, ce qui donne une mesure très précise. Cela contraste avec les horloges optiques à ions qui utilisent une transition électronique au sein d’un seul ion piégé, ce qui signifie que chaque mesure est beaucoup plus bruyante. »

Bien que les horloges à réseau optique aient déjà démontré leur capacité à indiquer l’heure avec une précision exceptionnelle, elles peuvent également présenter des limites. En particulier, leur conception sous-jacente basée sur le piégeage de la lumière peut affecter leur précision, car elle peut décaler la fréquence de transition.

Par rapport aux horloges à réseau optique proposées précédemment, l’horloge introduite par Aeppli et ses collègues utilise un piégeage de lumière de plus faible intensité, ce qui augmente considérablement sa précision.

« La plupart des résultats obtenus dans le cadre de ce travail sont d’ordre technique », a déclaré Aeppli. « L’un des plus grands changements dans les horloges à réseau optique de strontium provient des interactions avec l’émission thermique du milieu environnant. Nous sommes désormais mieux à même de caractériser cet effet et de comprendre comment il décale la fréquence de transition naturelle de l’atome de strontium. »

Les travaux de cette équipe de chercheurs mettent en évidence l’énorme potentiel des horloges à réseau optique basées sur des atomes de strontium, suggérant qu’elles pourraient peut-être même contribuer à la redéfinition de la seconde SI. Aeppli et ses collègues espèrent que leurs résultats éclaireront les futures études dans ce domaine, ouvrant la voie au développement d’horloges de plus en plus précises.

« À plus grande échelle, nous espérons que notre travail montre qu’il existe un chemin continu vers la fabrication d’horloges plus précises, et nous n’avons pas encore vu de limite fondamentale à la précision des horloges », a déclaré Aeppli.

« Bien que nous ayons construit une horloge d’une excellente précision, nous ne l’avons pas encore utilisée pour donner l’heure. Pourtant, il est important de comparer les horloges pour comprendre leurs limites. Comme par le passé, nous travaillons actuellement avec des collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) pour comparer leurs plateformes. »

Les chercheurs du Ye Lab effectuent actuellement diverses autres expériences d’horloge, chacune visant à concevoir des approches permettant de construire des horloges atomiques plus avancées.

Deux approches prometteuses qu’ils explorent impliquent l’utilisation de l’intrication quantique pour réduire le bruit associé à la mesure de la fréquence de transition et l’utilisation d’une transition nucléaire, qui peut donner des précisions encore meilleures.

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