Pourquoi les scientifiques construisent-ils une horloge nucléaire? Parce que les horloges atomiques ne sont pas parfaites

La tâche de construire une horloge qui garde l'heure avec précision est totalement différente de celle d'une horloge. Les horloges normales nous servent assez bien pour les besoins pratiques quotidiens, mais la recherche scientifique et la technologie basée sur des mesures sensibles nécessitent des horloges capables de mesurer le passage du temps avec une précision extrême. Ainsi, les scientifiques ont inventé les horloges atomiques - et bien qu’elles soient plus précises que les systèmes conventionnels, les heures restantes pouvaient encore être améliorées. Maintenant, les scientifiques passent du monde atomique au monde nucléaire. Une nouvelle étude publiée dans La nature montre que les physiciens allemands ont mis au point un garde-temps capable de perdre moins d'un dixième de seconde tous les 20 milliards d'années. C’est, selon votre point de vue, 10 fois meilleur que les technologies atomiques actuelles.

Mais avant de dire que les horloges atomiques sont obsolètes, voyons ce qui les différencie des ancêtres au pendule.

Chaque horloge utilise un résonateur pour garder une trace du temps. Un résonateur est un mécanisme qui, dans un souci de simplification, “tique” régulièrement. Les anciennes horloges utilisaient un pendule et des engrenages comme résonateur. Les horloges numériques utilisent les oscillations sur la ligne d'alimentation ou d'un cristal de quartz comme résonateur. Une horloge atomique avance cette idée de quelques pas en utilisant les fréquences de résonance des atomes eux-mêmes comme résonateur. Dans ce système, le résonateur est régulé par le rayonnement électromagnétique émis par la transition quantique d'un atome. En d'autres termes, une horloge atomique garde la trace du temps en mesurant les changements énergétiques dans une particule atomique.

Pour certains éléments et leurs isotopes, cela se produit à des fréquences constantes. Le césium 133, par exemple, oscille à exactement 9.192.631.770 cycles par seconde. C’est pourquoi elle a été utilisée pour construire la première horloge atomique au National Physical Laboratory du Royaume-Uni, en 1955.

Depuis lors, un certain nombre d'avancées technologiques ont conduit à des horloges atomiques plus précises - comprenant le refroidissement au laser et le piégeage des atomes, une spectroscopie laser plus précise et la détermination d'autres éléments isotopiques présentant des fréquences de résonance encore plus cohérentes. Le détenteur du record actuel pour les lectures les plus précises de l'horloge atomique sur les ions ytterbium.

La raison pour laquelle les horloges atomiques sont si critiques est liée au fait que les horloges mesurent le temps différemment à différentes altitudes. Plus une horloge est éloignée de la source principale de gravité, plus le temps passe vite (c'est-à-dire qu'une horloge fonctionnera plus rapidement au mont Everest qu'au niveau de la mer). La différence est apparemment négligeable, mais peut s’accumuler à mesure que le temps passe.

Une grande partie de notre technologie actuelle fonctionne comme des applications mondiales, comme le GPS. Pour qu’ils fonctionnent en même temps, quel que soit le lieu où ils se trouvent, ils doivent être liés directement à une horloge précise. Il n’existe pas de meilleur moyen d’y parvenir que d’utiliser les horloges atomiques comme norme. Dans la dernière étude, l’équipe de recherche allemande a proposé de mesurer directement les oscillations du noyau atomique de l’élément lui-même (par opposition aux électrons entourant le noyau). Une horloge atomique basée sur cette conception pourrait éviter d'être influencée par des forces externes. L'équipe de recherche identifie un état d'excitation dans l'isotope du thorium, Th-229m, qui pourrait fonctionner - et illustre les résultats expérimentaux qui appuient cette notion.

Il n’ya qu’un seul problème: le th-229m ne se produit pas naturellement. Bien que les résultats de la nouvelle étude soient néanmoins impressionnants, on ne sait pas exactement comment les chercheurs peuvent récolter suffisamment de Th-229m pour construire et entretenir une horloge nucléaire. Les chercheurs ont dérivé Th-229m dans ce cas en utilisant l'uranium-233 comme source. Ce n’est pas un processus facile.

Si les scientifiques trouvent un moyen de résoudre ce petit problème et de générer une quantité durable de 229 millions de Th, nous envisageons une nouvelle génération d’horloges atomiques qui joueront sans aucun doute un rôle majeur dans la construction de plus en plus de technologies à l’échelle mondiale et dans le monde. sert des personnes aux quatre coins du monde.