Un élément oublié pourrait nous aider à redéfinir la façon dont nous mesurons le temps

Tout comme les horlogers choisissent des matériaux de qualité supérieure pour fabriquer leurs plus belles montres, les physiciens du Centre for Quantum Technologies (CQT) de l’Université nationale de Singapour ont choisi un atome qui pourrait nous permettre de fabriquer de meilleures horloges atomiques et de mesurer le temps avec une précision inégalée.

Les horloges atomiques utilisent les oscillations des atomes sous le feu du laser comme une mesure du temps, de la même manière qu’une horloge utilise le balancement d’un pendule. Ces horloges atomiques peuvent perdre moins d’une seconde sur 50 millions d’années, en fonction des éléments utilisés – mais les scientifiques veulent une précision encore plus grande. L’équipe du CQT rapporte dans Nature Communications qu’un élément précédemment négligé – le lutécium – pourrait améliorer les meilleures horloges d’aujourd’hui. Le lutécium (Lu), un élément des terres rares représenté avec le numéro atomique 71, offrirait à la fois une plus grande stabilité et un degré de précision supérieur au césium ou au rubidium des horloges atomiques actuelles.

«La performance ultime d’une horloge se résume aux propriétés de l’atome – à quel point l’atome est insensible à son environnement», explique Murray Barrett, qui a dirigé la recherche. «Le lutécium, c’est le top dans sa catégorie».

Depuis que l’horloge atomique originale a été conçue en 1955, les scientifiques ont expérimenté la technique avec des atomes de différents éléments, cherchant ceux qui pourraient fonctionner avec le plus haut niveau de précision. Le césium, le premier élément à être utilisé dans une horloge atomique, oscille à une fréquence micro-ondes de 9 192 631 770 « tics » par seconde. Au cours des dernières années, d’autres éléments comme l’ytterbium et le strontium ont fonctionné à des fréquences optiques – qui sont environ dix mille fois plus rapides. Plus il y a de « tics » ou d’oscillations chaque seconde, plus le temps peut être mesuré avec précision. Non seulement le lutécium fonctionne à ces fréquences optiques, mais il a aussi un autre atout : les changements de température et de pression ont très peu d’effet sur lui. C’est la conclusion de six mois de tests intensifs par l’équipe du CQT.

«Nous avons définitivement montré que le lutécium est le moins sensible à la température de toutes les horloges atomiques établies», explique Kyle Arnold, co-auteur de l’étude. Cela permettra non seulement de rendre plus précise une horloge de laboratoire, mais également de lui permettre de fonctionner dans un éventail plus large d’environnements. De plus, d’autres études sur les propriétés du lutécium ont montré qu’il peut être intégré dans une horloge atomique de la même manière que l’ytterbium. Cela signifie que la mise à niveau ne devrait pas être trop problématique.

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