Une horloge atomique ultraprécise prête pour de nouvelles découvertes en physique

Leur instrument, connu sous le nom d’horloge atomique à réseau optique, peut mesurer les différences de temps avec une précision équivalente à la perte d’une seule seconde tous les 300 milliards d’années et est le premier exemple d’horloge optique “multiplexée”, où six horloges distinctes peuvent exister dans le même environnement. Sa conception permet à l’équipe de tester des moyens de rechercher des ondes gravitationnelles, de tenter de détecter la matière noire et de découvrir une nouvelle physique avec des horloges.

“Les horloges à réseau optique sont déjà les meilleures horloges au monde, et nous obtenons ici ce niveau de performance que personne n’a jamais vu auparavant”, déclare Shimon Kolkowitz, professeur de physique à l’UW-Madison et auteur principal de l’étude. “Nous travaillons à la fois pour améliorer leurs performances et pour développer des applications émergentes qui sont rendues possibles par ces performances améliorées.”

Les horloges atomiques sont si précises parce qu’elles tirent parti d’une propriété fondamentale des atomes : lorsqu’un électron change de niveau d’énergie, il absorbe ou émet de la lumière avec une fréquence identique pour tous les atomes d’un élément particulier. Les horloges atomiques optiques gardent l’heure en utilisant un laser réglé pour correspondre précisément à cette fréquence, et elles nécessitent certains des lasers les plus sophistiqués au monde pour garder l’heure précise.

En comparaison, le groupe de Kolkowitz a “un laser relativement moche”, dit-il, alors ils savaient que toute horloge qu’ils construisaient ne serait pas la plus précise ou la plus précise en soi. Mais ils savaient également que de nombreuses applications en aval des horloges optiques nécessiteront des lasers portables disponibles dans le commerce comme les leurs. Concevoir une horloge qui pourrait utiliser des lasers moyens serait une aubaine.

Dans leur nouvelle étude, ils ont créé une horloge multiplexée, où les atomes de strontium peuvent être séparés en plusieurs horloges disposées en ligne dans la même chambre à vide. En utilisant une seule horloge atomique, l’équipe a découvert que leur laser n’était capable d’exciter de manière fiable des électrons dans le même nombre d’atomes que pendant un dixième de seconde.

Cependant, lorsqu’ils ont braqué le laser sur deux horloges dans la chambre en même temps et les ont comparées, le nombre d’atomes avec des électrons excités est resté le même entre les deux horloges jusqu’à 26 secondes. Leurs résultats signifiaient qu’ils pouvaient mener des expériences significatives pendant beaucoup plus longtemps que leur laser ne le permettrait dans une horloge optique normale.

“Normalement, notre laser limiterait les performances de ces horloges”, explique Kolkowitz. “Mais parce que les horloges sont dans le même environnement et subissent exactement la même lumière laser, l’effet du laser disparaît complètement.”

Le groupe a ensuite demandé avec quelle précision ils pouvaient mesurer les différences entre les horloges. Deux groupes d’atomes qui se trouvent dans des environnements légèrement différents fonctionneront à des rythmes légèrement différents, en fonction de la gravité, des champs magnétiques ou d’autres conditions.

Ils ont exécuté leur expérience plus d’un millier de fois, mesurant la différence de fréquence de tic-tac de leurs deux horloges pendant un total d’environ trois heures. Comme prévu, comme les horloges se trouvaient à deux endroits légèrement différents, le tic-tac était légèrement différent. L’équipe a démontré qu’au fur et à mesure qu’elle prenait de plus en plus de mesures, elle était mieux en mesure de mesurer ces différences.

En fin de compte, les chercheurs ont pu détecter une différence de taux de tic-tac entre les deux horloges qui correspondrait à un désaccord entre elles d’une seule seconde toutes les 300 milliards d’années – une mesure de chronométrage de précision qui établit un record mondial pour deux horloges spatialement séparées.

Cela aurait également été un record mondial pour la différence de fréquence globale la plus précise si ce n’était pour un autre article, publié dans le même numéro de Nature. Cette étude a été menée par un groupe du JILA, un institut de recherche du Colorado. Le groupe JILA a détecté une différence de fréquence entre le haut et le bas d’un nuage dispersé d’atomes environ 10 fois mieux que le groupe UW-Madison.

Leurs résultats, obtenus à un millimètre de distance, représentent également la distance la plus courte à ce jour à laquelle la théorie de la relativité générale d’Einstein a été testée avec des horloges. Le groupe de Kolkowitz prévoit d’effectuer bientôt un test similaire.

“Ce qui est étonnant, c’est que nous avons démontré des performances similaires à celles du groupe JILA malgré le fait que nous utilisons un laser d’un ordre de grandeur pire”, déclare Kolkowitz. “C’est vraiment important pour de nombreuses applications du monde réel, où notre laser ressemble beaucoup plus à ce que vous emporteriez sur le terrain.”

Pour démontrer les applications potentielles de leurs horloges, l’équipe de Kolkowitz a comparé les changements de fréquence entre chaque paire de six horloges multiplexées dans une boucle. Ils ont découvert que les différences s’additionnaient à zéro lorsqu’ils revenaient à la première horloge de la boucle, confirmant la cohérence de leurs mesures et établissant la possibilité qu’ils puissent détecter de minuscules changements de fréquence au sein de ce réseau.

“Imaginez qu’un nuage de matière noire traverse un réseau d’horloges – existe-t-il des moyens de voir cette matière noire dans ces comparaisons ?” demande Kolkowitz. “C’est une expérience que nous pouvons faire maintenant et que vous ne pouviez tout simplement pas faire dans un système expérimental antérieur.”

Ce travail a été soutenu en partie par le programme NIST Precision Measurements Grants, le Northwestern University Center for Fundamental Physics et la John Templeton Foundation par le biais d’une subvention Fundamental Physics, la Wisconsin Alumni Research Foundation, le Army Research Office (W911NF-21-1-0012 ), et une bourse Packard pour la science et l’ingénierie.