Moment marquant vers le développement de l’horloge nucléaire

Les travaux de l’équipe, dirigés par le Dr Yuri Shvyd’ko, physicien principal au Laboratoire national d’Argonne, ont pour la première fois excité par résonance l’isomère nucléaire du scandium-45 avec les impulsions de rayons X les plus brillantes au monde à l’installation laser à rayons X européenne XFEl (EuXFEL). et déterminé la position de cette résonance nucléaire avec une précision sans précédent. Leurs conclusions sont rapportées dans la revue Natureà la fois en ligne et dans l’édition imprimée du 19 octobre.

“Les horloges atomiques, telles que l’horloge au césium 133 ou l’horloge au strontium 87, reposent sur les oscillations des électrons d’un atome, qui peuvent osciller à des fréquences très fiables lorsqu’ils sont excités par des micro-ondes ou un rayonnement optique”, a expliqué Kocharovskaya, chercheur principal de l’étude. Projet de la National Science Foundation (NSF) qui a initié et soutenu cette recherche.

Le scandium, un élément utilisé dans les composants aérospatiaux et les équipements sportifs, permet une précision d’une seconde en 300 milliards d’années, soit environ mille fois plus de précision que l’horloge atomique standard actuelle. La combinaison du scandium 45 et des impulsions de rayons X ultra-lumineuses rapproche les scientifiques d’une étape décisive vers la création de la toute première horloge nucléaire capable d’exploiter l’oscillation du noyau atomique plutôt que celle de sa coquille électronique.

“Pour les objectifs qui exigent une telle précision, notamment l’étude de certains aspects de la relativité, de la théorie gravitationnelle et d’autres phénomènes physiques tels que la matière noire, l’horloge nucléaire est la montre ultime”, a déclaré le Dr Xiwen Zhang, chercheur postdoctoral dans le groupe de Kocharovskaya. co-auteur de l’article.

Avec leur précision allant jusqu’à une partie sur 10 000 000 000 000 000 000, le Dr Grigory V. Rogachev, physicien de Texas A&M, note que les horloges nucléaires pourraient ouvrir la voie à une nouvelle ère de chronométrage de précision et permettre des applications transformatrices dans une myriade de domaines, ce qui entraînerait une multitude d’applications et de progrès.

“L’humanité est à la recherche de la technologie permettant de fabriquer les horloges les plus précises depuis l’aube des temps modernes”, a déclaré Rogachev, directeur du Texas A&M Physics and Astronomy et membre du Texas A&M Cyclotron Institute. “À l’heure actuelle, les horloges atomiques sont les meilleures. Le Dr Kocharovskaya et ses collaborateurs font désormais le premier pas vers une nouvelle technologie révolutionnaire. Ses recherches ouvrent une nouvelle voie pour utiliser les propriétés uniques de l’isotope scandium-45 pour créer le plus horloge la plus précise de tous les temps – l’horloge nucléaire. Cette avancée pourrait avoir des applications passionnantes dans la métrologie extrême, la spectroscopie ultra-élevée et potentiellement dans de nombreux autres domaines.

Les intérêts de recherche de Kocharavskaya au cours de la dernière décennie se sont concentrés sur l’extension du domaine de l’optique quantique traditionnelle – qu’elle décrit comme traitant des interactions résonantes contrôlables entre les photons optiques et les transitions atomiques – dans le domaine émergent de l’optique quantique nucléaire/à rayons X. sur le contrôle de l’interaction résonante entre les photons X et les transitions nucléaires. Ce faisant, elle a identifié le scandium 45, avec son état énergétique de première excitation à longue durée de vie, comme le meilleur candidat à la fois pour le stockage nucléaire quantique et pour l’horloge nucléaire. La principale question, dit-elle, était de savoir s’il était possible d’atteindre cet état avec les sources de rayons X disponibles.

Avec Shvyd’ko, qui avait envisagé le potentiel élevé du scandium-45 pour la spectroscopie nucléaire directe à super-résolution cohérente ainsi que la possibilité de son excitation résonnante par les rayons X d’une nouvelle génération émergente d’installations basées sur des accélérateurs. 30 ans Il y a quelques jours, Kocharovskaya a rédigé une proposition à la NSF visant à exciter par résonance un isomère nucléaire du scandium-45 à l’aide d’impulsions de rayons X.

“Au départ, il a reçu des critiques mitigées, car il était considéré comme un projet à haut risque et à haut rendement, mais finalement, il a été financé, ce qui nous a permis de planifier l’expérience à EuXFEL”, a déclaré Kocharovskaya, membre du Texas A&M Institute for Quantum Science. et ingénierie.

Kocharovskaya considère Shvyd’ko non seulement comme le leader des recherches du groupe, mais aussi comme une source d’inspiration pour toute l’équipe. De la coordination des efforts de tous les groupes entrant dans chaque détail du projet à l’organisation de réunions Zoom hebdomadaires pour discuter des multiples défis et des progrès en préparation de l’expérience, elle affirme que son leadership et son travail acharné ont fourni un exemple tangible de ce que signifie précisément voir un un rêve scientifique à long terme devenu réalité. En outre, elle note que le projet ne serait pas couronné de succès sans les contributions majeures de leurs collègues allemands : Dr Ralf Röhlsberger du DESY et de l’Institut Helmholtz d’Iéna ; Dr Jörg Evers de l’Institut Max Planck de physique nucléaire, Heidelberg ; et les Drs. Anders Madsen et Gianlcuca Geloni à EuXFEL, ainsi que les groupes qu’ils dirigent chacun.

“Dès que la résonance a été observée dans les premières heures de la collecte de données, nous avons tous célébré ce succès avec joie”, a-t-elle ajouté. “Cela a été gratifiant pour nous tous, mais surtout pour Yuri, qui a réalisé il y a 33 ans le potentiel scientifique élevé du scandium-45 pour la spectroscopie nucléaire à super-résolution et la possibilité de l’exciter avec des sources de rayons X modernes basées sur des accélérateurs.”

Jamais du genre à se reposer sur ses lauriers, l’équipe se concentre déjà sur les prochaines étapes et objectifs, en commençant par déterminer l’énergie de transition de résonance avec une précision encore plus élevée et en mesurant la durée de vie exacte d’un état isomère. De plus, il y a également l’observation de la diffusion nucléaire cohérente vers l’avant et la mesure de la largeur de la transition nucléaire.

“Les deux prochaines étapes peuvent être réalisées d’une manière relativement simple”, a reconnu Zhang. “Bien que la troisième étape soit extrêmement difficile, elle est absolument essentielle pour estimer la précision et la stabilité projetées de toute future horloge nucléaire. En tant que groupe et en tant qu’équipe de recherche plus large, nous attendons tous avec impatience de relever le défi.”