La première horloge atomique optique au monde avec des ions hautement chargés


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  • Les horloges atomiques optiques sont les instruments de mesure les plus précis jamais construits et deviennent des outils clés pour la recherche fondamentale et appliquée, par exemple pour tester la constance des constantes naturelles ou pour les mesures de hauteur en géodésie. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut QUEST de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en collaboration avec l’Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) et la TU Braunschweig et dans le cadre du cluster d’excellence QuantumFrontiers, ont réalisé pour la première fois une horloge atomique optique basée sur des ions hautement chargés. Ce type d’ion se prête à une telle application car il possède des propriétés atomiques extraordinaires et une faible sensibilité aux champs électromagnétiques externes. Les chercheurs rendent compte de leurs résultats dans le numéro actuel de La nature.

    Les ions hautement chargés sont une forme courante de matière dans le cosmos, où ils se trouvent, par exemple, dans le soleil ou d’autres étoiles. Ils sont appelés ainsi parce qu’ils ont perdu beaucoup d’électrons et ont donc une charge positive élevée. C’est pourquoi les électrons les plus externes sont plus fortement liés au noyau atomique que dans les atomes neutres ou faiblement chargés. Pour cette raison, les ions hautement chargés réagissent moins fortement aux interférences des champs électromagnétiques externes, mais deviennent des sondes plus sensibles des effets fondamentaux de la relativité restreinte, de l’électrodynamique quantique et du noyau atomique. « Par conséquent, nous nous attendions à ce qu’une horloge atomique optique avec des ions hautement chargés nous aide à mieux tester ces théories fondamentales », explique le physicien du PTB, Lukas Spieß. Cet espoir s’est déjà réalisé: « Nous avons pu détecter le recul nucléaire électrodynamique quantique, une prédiction théorique importante, dans un système à cinq électrons, qui n’a été atteint dans aucune autre expérience auparavant. »

    Au préalable, l’équipe a dû résoudre quelques problèmes fondamentaux, tels que la détection et le refroidissement, en des années de travail : Pour les horloges atomiques, il faut refroidir extrêmement les particules afin de les arrêter le plus possible et ainsi lire leur fréquence à le repos. Cependant, des ions hautement chargés sont produits en créant un plasma extrêmement chaud. En raison de leur structure atomique extrême, les ions hautement chargés ne peuvent pas être refroidis directement avec la lumière laser, et les méthodes de détection standard ne peuvent pas non plus être utilisées. Cela a été résolu par une collaboration entre MPIK à Heidelberg et l’Institut QUEST de PTB en isolant un seul ion argon hautement chargé d’un plasma chaud et en le stockant dans un piège à ions avec un ion béryllium à charge unique. Cela permet à l’ion hautement chargé d’être refroidi indirectement et étudié au moyen de l’ion béryllium. Un système de piège cryogénique avancé a ensuite été construit au MPIK et finalisé au PTB pour les expériences suivantes, qui ont été réalisées en partie par des étudiants passant d’une institution à l’autre. Par la suite, un algorithme quantique développé au PTB a réussi à refroidir encore plus l’ion hautement chargé, à savoir près de l’état fondamental de la mécanique quantique. Cela correspondait à une température de 200 millionièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu. Ces résultats ont déjà été publiés dans La nature en 2020 et en Examen physique X en 2021.

    Les chercheurs ont maintenant franchi avec succès l’étape suivante : ils ont réalisé une horloge atomique optique basée sur des ions d’argon treize fois chargés et ont comparé le tic-tac avec l’horloge à ions ytterbium existante au PTB. Pour ce faire, ils ont dû analyser le système en détail afin de comprendre, par exemple, le mouvement de l’ion hautement chargé et les effets des champs d’interférence externes. Ils ont atteint une incertitude de mesure de 2 parties sur 1017 — comparable à de nombreuses horloges atomiques optiques actuellement exploitées. « Nous nous attendons à une nouvelle réduction de l’incertitude grâce à des améliorations techniques, ce qui devrait nous amener dans la gamme des meilleures horloges atomiques », déclare Piet Schmidt, responsable du groupe de recherche.

    Les chercheurs ont ainsi créé un concurrent sérieux aux horloges atomiques optiques existantes basées, par exemple, sur des ions individuels d’ytterbium ou des atomes de strontium neutres. Les méthodes utilisées sont universellement applicables et permettent d’étudier de nombreux ions très chargés différents. Ceux-ci incluent des systèmes atomiques qui peuvent être utilisés pour rechercher des extensions du modèle standard de la physique des particules. D’autres ions hautement chargés sont particulièrement sensibles aux changements de la constante de structure fine et à certains candidats de matière noire qui sont nécessaires dans les modèles au-delà du modèle standard mais qui ne pouvaient pas être détectés avec les méthodes précédentes.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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