Horloge atomique optique sur un réseau de strontium. Des horloges optiques atomiques ultra-précises pourraient redéfinir l’unité de temps la plus fondamentale au cours de la prochaine décennie. (Crédit image : Ye Group et Brad Baxley, JILA)

La définition de la seconde, l’unité de temps la plus fondamentale de notre système de mesure actuel, n’a pas été mise à jour depuis plus de 70 ans (à quelques milliardièmes de seconde près).

Mais cela pourrait changer au cours de la prochaine décennie : des horloges atomiques-optiques ultra-précises alimentées par la lumière visible sont en passe de redéfinir la seconde.

Ces nouvelles versions d’horloges atomiques sont, du moins en théorie, beaucoup plus précises que l’horloge au césium étalon-or, qui mesure la seconde en fonction des vibrations des atomes de césium lorsqu’ils sont exposés aux micro-ondes.

« Vous pouvez le considérer comme une règle avec des marques sur chaque millimètre, par opposition à un bâton qui ne mesure qu’un mètre », Jeffrey Sherman, chercheur à la Division du temps et de la fréquence de l’Institut national des normes et de la technologie à Boulder. Colorado, selon Live Science.

En juin, le Bureau international des poids et mesures pourrait publier les critères nécessaires à toute future définition de la seconde, rapporte The New York Times. Jusqu’à présent, aucune des horloges optiques n’était entièrement prête pour les heures de grande écoute.

Mais une nouvelle définition pourrait être officiellement approuvée dès 2030, a déclaré Sherman. Un nouveau type d’horloge optique pourrait aider à exposer la matière noire, la substance invisible qui exerce une attraction gravitationnelle ; ou trouver des vestiges du Big Bang appelés ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace-temps prédites par la théorie de la relativité d’Einstein.

Unité de mesure de base

La seconde standard actuelle est basée sur une expérience de 1957 avec un isotope ou une variante du césium. Lorsqu’ils sont pulsés avec de l’énergie micro-onde d’une certaine longueur d’onde, les atomes de césium sont « excités » au maximum et émettent le nombre maximum possible de photons ou d’unités de lumière.

Cette longueur d’onde, appelée fréquence de résonance naturelle du césium, fait « cocher » les atomes de césium 9 192 631 770 fois par seconde. Cette définition originale de la seconde était liée à la durée du jour en 1957, et celle-ci était à son tour liée à des choses variables comme la rotation de la Terre et la position d’autres objets célestes à l’époque, selon The New. York Times.

En revanche, les horloges atomiques optiques mesurent les vibrations des atomes, qui « tickent » beaucoup plus rapidement que les atomes de césium lorsqu’ils sont exposés à la lumière dans le spectre électromagnétique visible. Parce qu’ils peuvent cocher beaucoup plus rapidement, ils pourraient théoriquement déterminer la seconde avec une résolution beaucoup plus fine.

Il existe plusieurs candidats pour remplacer le césium comme chronomètre principal, notamment le strontium, l’ytterbium et l’aluminium. Chacun a ses avantages et ses inconvénients, a déclaré Sherman.

Pour obtenir une telle horloge, les chercheurs doivent faire une pause, puis refroidir les atomes jusqu’au zéro absolu, puis les pulser avec la couleur finement réglée de la lumière visible nécessaire pour maximiser l’excitation des atomes. Une partie du système illumine les atomes, tandis que l’autre compte les vibrations.

Mais certains des plus grands défis consistent à s’assurer que le laser émet de la lumière dans exactement la bonne couleur – disons, une certaine nuance de bleu ou de rouge – nécessaire pour amener les atomes à leur fréquence de résonance, a déclaré Sherman. La deuxième étape, compter les oscillations, nécessite un soi-disant peigne laser femtoseconde, qui envoie des impulsions de lumière à de minuscules intervalles, explique Sherman.

Selon Sherman, les deux éléments sont des prouesses techniques incroyablement complexes et peuvent occuper à eux seuls une salle de laboratoire entière.

Utilisation d’une horloge optique

Alors pourquoi les scientifiques ont-ils besoin d’horloges atomiques encore plus précises pour mesurer la seconde ? Ce n’est pas seulement un exercice académique.

Le temps ne se contente pas de marcher sur son propre tambour ; La théorie de la relativité d’Einstein dit qu’elle est déformée par la masse et la gravité. En conséquence, le temps peut aller infiniment plus lentement au niveau de la mer, où le champ gravitationnel de la Terre est plus fort qu’au sommet de l’Everest, où il est légèrement plus faible.

La découverte de ces changements infimes au fil du temps pourrait également révéler des preuves d’une nouvelle physique. Par exemple, l’influence de la matière noire n’a jusqu’à présent été détectée que dans la danse lointaine des galaxies en orbite, dans la courbure de la lumière autour des planètes et des étoiles, et dans la lumière résiduelle du Big Bang.

Mais si des amas de matière noire se cachent plus près de chez eux, des horloges ultra-précises qui détectent une minuscule dilatation du temps peuvent les trouver.

De la même manière, en faisant osciller la trame de l’espace-temps, les ondes gravitationnelles compriment et étirent le temps. Certaines des plus grandes ondes gravitationnelles sont détectées par le Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, une course de relais de plusieurs milliers de kilomètres pour mesurer les éruptions dans l’espace-temps créées par des événements catastrophiques tels que les collisions de trous noirs. Mais un bataillon d’horloges atomiques dans l’espace pourrait détecter ces effets de dilatation temporelle pour des ondes gravitationnelles beaucoup plus lentes, telles que les ondes de fond cosmiques à micro-ondes.

« Ce sont des ondes gravitationnelles dites primordiales, qui pourraient être des restes du Big Bang », a déclaré Sherman.

Publié à l’origine sur Live Science.