- Des physiciens ont pour la première fois directement excité au laser la transition du thorium-229, recherchée depuis des décennies, posant ainsi les bases expérimentales de technologies ultraprécises comme les horloges nucléaires
- Les transitions nucléaires nécessitent généralement une énergie au moins 1 000 fois supérieure à celle des transitions électroniques, mais le thorium-229 était considéré comme un candidat exceptionnel car ses deux états d’énergie sont très proches
- Les équipes de TU Wien et de la PTB ont irradié simultanément environ 10^17 noyaux atomiques grâce à un cristal spécial contenant un grand nombre d’atomes de thorium et, le 21 novembre 2023, ont obtenu un signal clair en ajustant précisément l’énergie de transition
- La confirmation de l’énergie de transition permet de suivre avec précision le passage du noyau atomique à un état d’énergie plus élevé puis son retour, ouvrant une voie expérimentale entre la physique quantique classique et la physique nucléaire
- Cette avancée pourrait déboucher sur des horloges nucléaires plus précises que les meilleures horloges atomiques actuelles, sur l’analyse des champs gravitationnels et sur des expériences de physique fondamentale testant les variations temporelles et spatiales des constantes de la nature
Première induction au laser de la transition du thorium-229
- La transition du thorium, longtemps recherchée par les physiciens, a été induite pour la première fois dans un état excité au moyen d’un laser
- L’énergie de transition étant désormais connue avec précision, il devient possible de suivre finement le passage d’un noyau atomique vers un état d’énergie plus élevé, puis son retour à l’état initial
- Ce résultat a été obtenu conjointement par l’équipe de Thorsten Schumm à TU Wien et celle du National Metrology Institute Braunschweig (PTB), et publié dans Physical Review Letters
- Le résultat clé est la première excitation laser ciblée d’un noyau atomique
Pourquoi il est difficile de manipuler un noyau atomique
- Les atomes ou les molécules peuvent passer d’un état quantique à un autre lorsque la longueur d’onde du laser est ajustée avec précision
- C’est aujourd’hui utilisé dans les horloges atomiques, l’analyse chimique et le stockage d’informations dans des atomes ou molécules pour les ordinateurs quantiques
- Les noyaux atomiques peuvent eux aussi passer entre différents états quantiques, mais l’énergie nécessaire est généralement bien plus élevée
- Les transitions d’état d’un noyau atomique exigent en général une énergie au moins 1 000 fois supérieure à celle des électrons d’un atome ou d’une molécule
- L’énergie des photons d’un laser classique ne suffit pas à manipuler facilement un noyau atomique
- Les noyaux atomiques sont beaucoup plus petits que les atomes ou les molécules et sont donc moins sensibles aux perturbations externes comme les champs électromagnétiques
- Grâce à cette propriété, ils sont en principe adaptés à des mesures de précision d’une exactitude sans précédent
Une recherche de l’énergie de transition comparable à une aiguille dans une botte de foin
- Depuis les années 1970, on supposait que le thorium-229 pouvait être un noyau atomique particulier, manipulable au laser
- Dans le thorium-229, deux états d’énergie sont très proches, si bien qu’un laser pourrait en principe suffire à modifier l’état du noyau atomique
- Pour induire la transition, il faut connaître l’énergie de transition avec une précision extrême
- La connaître au niveau de 1 électronvolt ne suffit pas
- Pour détecter la transition, il faut l’ajuster avec une précision d’environ un millionième d’électronvolt
- L’équipe compare cette recherche à celle d’une aiguille dans une botte de foin, ou d’un petit coffre au trésor enterré sur une île longue de plusieurs kilomètres
Comment un cristal spécial a amplifié le signal
- Certaines équipes de recherche ont tenté d’étudier les noyaux de thorium en les immobilisant un par un dans des pièges électromagnétiques, mais l’équipe de TU Wien a développé un cristal spécial contenant de nombreux atomes de thorium
- Fabian Schaden et l’équipe de la PTB ont participé au développement du cristal et aux mesures
- La méthode est techniquement complexe, mais elle permet d’examiner simultanément un très grand nombre de noyaux atomiques, et non un noyau isolé
- Le laser cible simultanément environ 10^17 noyaux de thorium
- C’est environ un million de fois plus que le nombre d’étoiles de notre galaxie
- Ce grand nombre de noyaux amplifie l’effet, réduit le temps de mesure nécessaire et augmente les chances de trouver la transition réelle
- Le 21 novembre 2023, l’équipe a réglé avec précision la bonne énergie de la transition du thorium et obtenu pour la première fois un signal clair provenant des noyaux atomiques
- Le faisceau laser a effectivement changé l’état des noyaux atomiques
- Les résultats ont été publiés après examen et évaluation des données
Horloges nucléaires et possibilités de mesures de précision
- Maintenant que l’on sait comment exciter l’état du thorium, cette technologie peut être utilisée pour des mesures de précision
- L’un des objectifs à long terme est la fabrication d’une horloge nucléaire
- De même qu’une horloge à pendule utilise les oscillations du pendule comme référence temporelle, les oscillations de la lumière qui excite la transition du thorium peuvent servir de référence temporelle pour une nouvelle horloge
- Cette horloge pourrait être bien plus précise que les meilleures horloges atomiques actuellement disponibles
- Au-delà de la mesure du temps, elle pourrait aussi servir à analyser plus précisément le champ gravitationnel terrestre
- Elle pourrait fournir des indices sur des ressources minérales ou sur les séismes
- Cette méthode de mesure pourrait également s’appliquer à des questions de physique fondamentale, par exemple pour déterminer si les constantes de la nature sont réellement constantes ou si d’infimes variations dans le temps peuvent être mesurées
- L’équipe indique que la méthode de mesure actuelle n’est qu’un point de départ et qu’il est encore impossible de prédire quels résultats elle permettra d’obtenir
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Je suis l’un des auteurs de l’article ; s’il y a des questions, je peux y répondre. Ça fait plaisir de le voir ici
Cette mesure a déjà été confirmée par un autre groupe : https://arxiv.org/abs/2404.12311
C’est important, car les impuretés du cristal utilisé dans l’expérience peuvent produire toutes sortes de fluorescences susceptibles d’être prises à tort pour le signal des ions thorium. Maintenant que deux groupes ont observé exactement le même signal dans des cristaux dopés au thorium différents, l’idée qu’on ait bien trouvé une transition nucléaire devient plus convaincante
C’est un peu étrange que le nouvel article soit disponible uniquement sur le site du groupe de recherche [1], et pas sur arXiv
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
Le texte dit : « Si l’on règle précisément la longueur d’onde du laser, … il pourrait être possible de manipuler au laser un noyau atomique particulier, le thorium-229. Le 21 novembre 2023, l’équipe y est finalement parvenue. Elle a atteint l’énergie exacte de la transition du thorium, et le noyau de thorium a émis pour la première fois un signal clair » ; du coup, je me demandais quelle était cette longueur d’onde
La réponse est 148,3821 nm. Bien sûr, ce nombre ne me parle pas vraiment non plus. Ça m’a donné l’impression qu’on titrait partout qu’on avait retrouvé le vol Malaysia Airlines MH-370 dans un océan du monde, mais sans indiquer la position parce qu’un chiffre du genre « 148,3821 km au sud-sud-est des îles Cocos » ne signifierait pas grand-chose pour la plupart des gens
Si l’on considère la lumière visible comme une octave et qu’on imagine que les « notes » des couleurs s’enroulent du rouge vers le bleu, cela correspondrait à un bleu une octave au-dessus du bleu visible
De petites améliorations des tolérances et des matériaux changent fortement ce qui devient économiquement possible à l’extrémité de la chaîne science-ingénierie-usinage. « On a fabriqué quelque chose de plus précis » est généralement une grande nouvelle. Il suffit de regarder les semi-conducteurs : toute une industrie crée une valeur immense grâce à la capacité de déplacer des atomes quelques nanomètres mieux qu’avant
Omettre le chiffre clé dans l’article semble problématique, mais en réalité le niveau attendu du lecteur est déjà bas. Ce chiffre pourrait valoir plus de 1 000 milliards de dollars pour l’humanité entière, mais la plupart des gens le verront sans doute comme une anecdote à ressortir en soirée
Les longueurs d’onde des candidats actuels https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 se situent entre 750 nm et 250 nm. L’étalon de fréquence au césium utilise une longueur d’onde de 32,6 mm, soit environ 100 000 fois plus que les étalons de fréquence optique
Si l’on ne regarde que la fréquence, je ne vois pas bien pourquoi la transition nucléaire du thorium serait tellement meilleure qu’une transition optique. À moins que l’intérêt principal soit précisément d’aller vers des fréquences plus élevées
Donc, d’un certain point de vue, on pourrait imaginer appeler le photon émis lorsque l’état nucléaire revient à l’état fondamental un « ultraviolet gamma »
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
En pratique, personne ne l’appellera rayon gamma, mais l’idée est amusante
Si l’on prend du recul sur la chromodynamique quantique, il est assez frappant de voir à quel point nous savons peu de choses vraiment certaines sur la structure interne du proton ou sur les nucléons
C’est la malédiction des méthodes qui consistent à « sonder » avec des énergies énormes. Il est difficile d’être sûr à 100 % que l’on détecte quelque chose qui existe réellement là-dedans, plutôt qu’un sous-produit de l’énergie gigantesque de la collision
Les physiciens sont brillants et font des choses dont je suis incapable. Malgré tout, la certitude a ses limites, et, en particulier à l’intérieur du proton, des premiers principes que nous ne connaissons pas encore sont à l’œuvre. Faire entrer la précision des photons et des lasers dans ce monde des nucléons serait, je l’espère, une avancée énorme
Cela pourrait à son tour devenir une manière de sonder des effets de gravité quantique
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
Je suis content de voir que cela s’est réellement produit. Quand on avait essayé de faire ça auparavant avec des ions piégés, mes collègues de GaTech et moi avions été les premiers à piéger et à refroidir par laser Th(232) 3+
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
Le passage disant que cela pourrait « analyser le champ gravitationnel terrestre avec beaucoup plus de précision et fournir des indications sur des ressources minérales ou des signes de séismes » n’a-t-il pas aussi des applications militaires ?
Cela pourrait servir de substitut au GPS dans les sous-marins nucléaires
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
D’après l’article, la lumière est autour de 140 nm, donc dans l’UV-C près de 8,4 eV. Mais pour provoquer la transition, l’énergie doit être extrêmement précisément accordée. C’est parce que l’état nucléaire n’a nulle part où évacuer l’énergie excédentaire
La relation d’incertitude s’écrit généralement delta-p delta-x > hbar/2, mais elle peut aussi s’écrire delta-t delta-E > hbar/2. Donc si la demi-vie est très longue, delta-E peut devenir très petit
Ce fait est utilisé en spectroscopie Mössbauer, c’est-à-dire l’émission gamma sans recul dans les solides. Les pics sont si étroits que Pound et Rebka s’en sont servis pour détecter le décalage gravitationnel vers le rouge dans un laboratoire de Harvard en 1960, et ils ont atteint une précision de 1 % en 1964
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
Le seul autre état atomique excité que je connaisse est l’état excité du fer utilisé en spectroscopie Mössbauer, et cette transition est à une énergie bien plus élevée. En plus, dans ce cas il existe une certaine interaction avec l’état électronique du noyau. Je me demande aussi s’il y a une raison particulière pour laquelle cette transition du thorium ne se couple pas à l’état électronique
On dit qu’« analyser très précisément le champ gravitationnel terrestre peut fournir des indices sur les ressources minérales » ; je me demande comment c’est possible
J’avais déjà imaginé, façon SF, qu’avec une mesure du champ gravitationnel assez sensible on pourrait détecter un sous-marin qui passe. Je ne suis pas sûr des maths, mais si c’était possible, cela pourrait neutraliser une bonne partie de la stratégie nucléaire. Il faudrait que je pose un peu les calculs
Le pendule d’Eötvös, ou balance de torsion d’Eötvös, conçu en 1888, a été le point de départ de ce type de mesures. Dans les années 1920, les géophysiciens l’utilisaient couramment pour mesurer très précisément les gradients du champ gravitationnel et cartographier des gisements souterrains
Il a ensuite été remplacé par de meilleurs équipements de prospection. À l’origine, cet instrument avait été conçu pour des expériences montrant avec une très grande précision que la masse inertielle et la masse gravitationnelle sont égales — plus exactement, linéairement corrélées
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
La détection de sous-marins est beaucoup plus difficile et, comme d’autres l’ont déjà dit, pratiquement impossible
Si ma mémoire est bonne, la Royal Navy l’a officiellement testé pour la première fois l’an dernier
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
La portée de détection est assez courte, mais suffisante pour être utilisée depuis des avions en vol
Cette avancée est une étape vers l’objectif de construire une horloge atomique utilisant le thorium-229, et même l’étape la plus importante
On m’a dit que ce rêve était impossible, mais si je devais utiliser l’un de mes vœux de génie, je choisirais celui-là. Aujourd’hui, la fission se répartit sur la moitié du tableau périodique et crée toutes sortes de problèmes
Je n’ai pas le temps d’écrire en détail pour l’instant, mais c’est une nouvelle vraiment passionnante
Trouver la raie du thorium était l’un des plus grands problèmes ouverts en mesures de précision et en mesures fondamentales