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Une nouvelle horloge atomique ultra-précise promet des percées dans le domaine de la physique

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Marrakech, 16 févr. (Maroc-Actu) –

Des physiciens de l’université du Wisconsin-Madison, aux États-Unis, ont construit l’une des horloges atomiques les plus performantes de l’histoire, comme annoncé dans la revue Nature.

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 seconde tous les 300 milliards d’années. et est le premier exemple d’une horloge optique « multiplexée », où six horloges différentes peuvent exister dans le même environnement. Sa conception permet à l’équipe de tester les moyens de rechercher les ondes gravitationnelles, d’essayer de détecter la matière noire et de découvrir une nouvelle physique grâce aux horloges.

« Les horloges à réseau optique sont déjà les meilleures horloges au monde, et ici nous obtenons ce niveau de performance que personne n’a jamais vu auparavant », explique. dans une déclaration Shimon Kolkowitz, professeur de physique à UW-Madison et auteur principal de l’étude…. Nous travaillons à la fois à l’amélioration de ses performances et au développement d’applications émergentes qui permettent cette amélioration des performances.

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 à une fréquence qui est identique pour tous les atomes d’un élément particulier. Les horloges atomiques optiques donnent l’heure en utilisant un laser qui correspond précisément à cette fréquence, et nécessitent certains des lasers les plus sophistiqués au monde pour garder une heure précise.

En comparaison, le groupe de Kolkowitz a. « un laser relativement mauvais », dit-il, ils savaient donc que toute montre qu’ils construiraient ne serait pas la plus exacte ou la plus précise par elle-même. Mais ils savaient aussi que de nombreuses applications ultérieures des horloges optiques nécessiteraient des lasers portables et commerciaux comme les leurs, et que la conception d’une horloge pouvant utiliser des lasers moyens serait un avantage.

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Dans leur nouvelle étude, ils ont créé une horloge multiplexée, dans laquelle 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 son laser n’a pu exciter de manière fiable les électrons du même nombre d’atomes que pendant un dixième de seconde.

Cependant, lorsqu’ils ont illuminé deux horloges dans la chambre en même temps avec le laser et qu’ils les ont comparées, le nombre d’atomes avec des électrons excités est resté le même entre les deux horloges jusqu’à 26 secondes. Grâce à leurs résultats, ils ont pu réaliser des expériences significatives pendant une durée beaucoup plus longue que celle permise par leur laser sur une horloge optique normale.

« Normalement, notre laser devrait limiter les performances de ces horloges », explique M. 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 s’est ensuite demandé avec quelle précision il pouvait mesurer les différences entre les horloges. Deux groupes d’atomes dans des environnements légèrement différents se déplaceront à des vitesses légèrement différentes, en fonction de la gravité, des champs magnétiques ou d’autres conditions.

Ils ont réalisé leur expérience plus de mille fois, mesurant la différence de fréquence du tic-tac de leurs deux horloges pendant un total d’environ trois heures. Comme prévu, les horloges étant situées à deux endroits légèrement différents, le tic-tac était légèrement différent. L’équipe a montré qu’en prenant de plus en plus de mesures, elle devenait de plus en plus capable de mesurer ces différences.

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Au final, ils ont pu détecter une différence dans le tic-tac des deux horloges qui correspondrait à une différence d’une seconde seulement tous les 300 milliards d’années, une mesure de précision du temps qui constitue un record mondial pour deux horloges séparées dans l’espace.

Il aurait également été le record mondial de la différence de fréquence la plus précise si un autre article n’avait pas été 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 du JILA a détecté une différence de fréquence entre le haut et le bas d’un nuage d’atomes diffusés environ 10 fois mieux que le groupe de l’UW-Madison.

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

« Ce qui est surprenant, c’est que nous avons démontré des performances similaires à celles du groupe du JILA alors que nous utilisons un laser d’un ordre de grandeur inférieur », souligne M. Kolkowitz. C’est vraiment significatif 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 possibles 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 constaté que les différences s’annulaient lorsqu’ils revenaient à la première horloge de la boucle, confirmant ainsi la cohérence de leurs mesures. et établit la possibilité qu’ils puissent détecter de petits changements de fréquence au sein de ce réseau.

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