Erreur de 39,6 milliards d’années de moins d’une seconde : l’horloge atomique la plus précise au monde établit un nouveau record
2024-08-19
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Combien de temps dure 1 seconde ? Comment définir la précision scientifique d’une seconde ? Le 22 septembre 2023, Mozi Salon a eu l'honneur d'inviter Jun Ye, professeur du Département de physique de l'Université du Colorado et lauréat du « Mozi Quantum Prize », à prononcer un discours intituléLe discours a présenté le contexte de la recherche sur les horloges atomiques d’une manière facile à comprendre, ainsi que l’exploration de l’équipe de recherche pour améliorer continuellement la précision de la mesure du temps.Maintenant, la limite supérieure de précision des horloges atomiques peut-elle être améliorée ? La dernière réalisation de l'équipe de Ye Jun a une fois de plus battu le record de précision de l'horloge atomique, réalisé un bond en avant dans la précision de la mesure du temps et établi une nouvelle référence pour la prochaine génération d'horloges atomiques. Le 24 janvier, nous avons développé avec succès le système d'horloge optique avec les meilleurs indicateurs nationaux (L’équipe d’horloge optique de l’Université des sciences et technologies de Chine a été invitée par Physics à présenter ce résultat.
L’émergence des horloges atomiques dans les années 1950 a marqué une avancée majeure dans notre capacité à mesurer le temps avec une très haute précision.Après 70 ans de développement, c'est actuellement l'appareil de chronométrage le plus précis. S'il avait commencé à chronométrer au début du Big Bang, son erreur n'aurait pas dépassé aujourd'hui une seconde.Ces horloges atomiques précises ont de nombreuses applications dans les domaines de la physique de base, de la métrologie, de la navigation et dans d’autres domaines. D'autres améliorations pourraient conduire à une série de nouvelles applications et à de nouveaux tests de physique fondamentale.Cependant, réaliser de nouvelles améliorations se heurte à de nombreux défis, parmi lesquels le bruit ambiant, tel que les fluctuations du champ magnétique et les changements de température, ainsi que les interactions complexes des atomes, qui régissent le fonctionnement de l'horloge mais sont difficiles à contrôler. Pour relever ces défis, des chercheurs du Joint Astrophysics Laboratory américain (JILA) et une équipe de chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont battu le record de précision de l'horloge atomique.▲Figure 1 :Les atomes de strontium sont dans1S0et3P0Les transitions entre les états servent de références pour les horloges à réseau optique. Lorsqu'un signal optique entre en résonance avec une transition, sa fréquence peut être définie très précisément.
L'équipe de recherche a utilisé une horloge à réseau optique (OLC) basée sur des atomes de strontium neutres pour mesurer la fréquence des transitions atomiques du strontium, et l'incertitude de son système a atteint 8,1 × 10.-19, soit plus du double du record précédent (le travail préliminaire de l’équipe). Cette réalisation marque un bond en avant dans la précision de la mesure du temps et établit une nouvelle référence pour la prochaine génération d'horloges atomiques.Les premières horloges atomiques utilisaient la fréquence des signaux micro-ondes comme « pendule » pour indiquer l’heure. Aujourd’hui, les meilleures techniques de mesure du temps s’appuient sur la lumière émise par certaines transitions atomiques, appelées transitions d’horloge. La haute fréquence (généralement quelques centaines de térahertz) et les largeurs de raie étroites (généralement 1 à 100 millihertz) de ces transitions signifient que les horloges atomiques optiques peuvent mesurer le temps avec plus de précision que les horloges atomiques à micro-ondes, qui fonctionnent à des fréquences plus basses. Grâce aux efforts inlassables des chercheurs au cours des dernières décennies, les horloges optiques sont désormais plus performantes de deux ordres de grandeur que les horloges à micro-ondes. Améliorer davantage ses performances signifie réduire la taille des erreurs systématiques.Pour atteindre cet objectif, les équipes de la JILA et de l'Université du Colorado à Boulder ont réévalué les coefficients de certains paramètres atomiques critiques au fonctionnement des horloges atomiques optiques. En particulier, les chercheurs ont étudié la transition d'horloge avec la plus faible sensibilité magnétique parmi les atomes de strontium (3P0et1S0transitions entre états) ont été calibrés avec précision (voir Figure 1) et les coefficients Zeeman de second ordre ont été déterminés.Le coefficient de Zeeman décrit l'effet d'un champ magnétique sur le niveau d'énergie d'un électron et donc le changement de fréquence de la lumière émise lors de la transition associée. En règle générale, les transitions d'horloge insensibles au magnétisme sont choisies pour minimiser le décalage de fréquence Zeeman dominant de premier ordre, ce qui réduit la sensibilité de l'horloge aux fluctuations du champ magnétique ambiant. Mais des effets de second ordre plus faibles existent toujours. L'étalonnage de ce coefficient par l'équipe a réduit l'incertitude provoquée par le décalage de fréquence Zeeman de second ordre à 1 × 10.-19, soit deux fois plus que le calibrage précédent.▲Figure 2 :En septembre 2023, lors de la Conférence internationale 2023 sur les technologies quantiques émergentes à Hefei, Jun Ye, en tant que lauréat du « Mozi Quantum Prize », a présenté un magnifique rapport de récompense sur place.
Les chercheurs se sont également penchés sur un deuxième facteur affectant l’incertitude de l’horloge : la correction dynamique du rayonnement du corps noir. Le rayonnement du corps noir peut affecter les niveaux d’énergie des atomes via leurs champs électriques, conséquence inévitable du fonctionnement des horloges dans un environnement à température ambiante. La composante dynamique de cet effet fait référence au décalage de fréquence différentiel entre les niveaux d’énergie atomique. Dans les générations précédentes d'horloges à réseau optique au strontium, la précision était particulièrement limitée par3P0Incertitude dans le déplacement du niveau d'énergie (le plus élevé des deux états qui définissent la transition d'horloge). L'ampleur de ce décalage de fréquence est liée à une transition dans le spectre énergétique du rayonnement du corps noir - c'est-à-dire3P0et des niveaux d'énergie plus élevés3D1La transition entre le3D1déterminé par la durée de vie de l’État. En effectuant ces mesures, l'équipe a amélioré l'incertitude du déplacement du rayonnement du corps noir par rapport au précédent 1,5 × 10.-18Réduit à 7,3×10-19. En combinant la réduction de l'incertitude de décalage de fréquence du rayonnement du corps noir avec d'autres contrôles environnementaux tels que la stabilisation de la température, les chercheurs ont déterminé que tous les effets du système contribuaient à l'incertitude totale des niveaux d'énergie de transition d'horloge à moins de 1 × 10.-18。Pour contrôler et mesurer les atomes dans l'horloge à réseau optique, les chercheurs ont également utilisé un réseau optique doté d'une « longueur d'onde magique ». Dans un piège à réseau optique, les niveaux d’énergie des atomes peuvent dériver en raison de l’influence du champ électrique du faisceau laser. Cependant, dans un puits de potentiel manipulé à des longueurs d’onde magiques, le puits de potentiel est le même quel que soit l’état électronique des atomes. Cela signifie que les décalages de fréquence relatifs du niveau d'énergie induits par le faisceau laser entre les états de transition d'horloge sont minimisés, ce qui contribue à rendre la largeur de ligne de la transition aussi étroite que possible. Les chercheurs ont également intégré une procédure de refroidissement qui leur a permis d’utiliser un réseau peu profond pour confiner les atomes. Lorsque les atomes sont plus étroitement confinés, le décalage de fréquence des niveaux d’énergie provoqué par le faisceau laser est plus important, de sorte que le potentiel peu profond minimise ce décalage de fréquence.Ces méthodes permettent à leur appareil de dépasser la précision de toutes les horloges à réseau lumineux précédentes, mesurant le temps avec une erreur de moins d'une seconde en 39,6 milliards d'années. Les implications de cette amélioration sont considérables. Par exemple, combinée aux progrès de l'équipe du Colorado, une nouvelle génération d'instruments pourrait constituer une nouvelle référence pour la définition de la seconde. Les efforts futurs pourraient se concentrer sur l’amélioration de ces techniques afin de réduire davantage les incertitudes, par exemple grâce au fonctionnement cryogénique. Cette technologie de mesure de très haute précision peut être utilisée pour étudier des questions fondamentales à l’avant-garde de la physique, comme la possibilité de révéler la nature quantique de la gravité et la nature de la matière noire grâce à l’observation des ondes gravitationnelles.
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